Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Electromagnetism and Optics
Course of study:
2018/2019
Code:
JIS-1-304-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
First-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Applied Computer Science
Semester:
3
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr hab. inż. Haberko Jakub (haberko@fis.agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr hab. inż. Haberko Jakub (haberko@fis.agh.edu.pl)
dr inż. Armatys Paweł (armatys@agh.edu.pl)
dr inż. Strzałka Radosław (Radoslaw.Strzalka@fis.agh.edu.pl)
Module summary

Wykład omawia podstawowe prawa rządzące zjawiskami elektrycznymi, magnetycznymi i świetlnymi. Towarzyszą temu pokazy doświadczeń fizycznych i rozwiązywanie zadań z zakresu elektromagnetyzmu i optyki.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Student umie pracować samodzielnie i w zespole. potrafi samodzielnie zdobyć odpowiednią wiedzę i umiejętności, niezbędne do realizacji jego części zadania zespołowego. IS1A_K02, IS1A_K01 Project,
Participation in a discussion,
Scientific paper,
Test,
Activity during classes
M_K002 Student umie przygotować i komunikatywnie przedstawić rozwiązania zadań oraz referat na wybrany temat z zakresu współczesnej fizyki IS1A_K01 Participation in a discussion,
Scientific paper,
Project,
Test,
Activity during classes
Skills
M_U001 Student stara się wykorzystać poznane prawa i zasady zachowania, aby przy użyciu odpowiednich metod matematycznych, rozwiązywać typowe problemy i zadania z w/w działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzm i optyka). IS1A_W01, IS1A_U01 Execution of exercises,
Participation in a discussion,
Scientific paper,
Project,
Test,
Examination,
Activity during classes
Knowledge
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę z wybranych działów fizyki klasycznej, tj. elektrostatyki, elektromagnetyzmu i fal elektromagnetycznych i optyki. IS1A_W01 Examination,
Activity during classes
M_W002 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów elektromagnetyzmu i optyki. IS1A_W01, IS1A_U01 Test
M_W003 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzmu i optyki) IS1A_W01 Examination,
Activity during classes
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Student umie pracować samodzielnie i w zespole. potrafi samodzielnie zdobyć odpowiednią wiedzę i umiejętności, niezbędne do realizacji jego części zadania zespołowego. + + - - - - - - - - -
M_K002 Student umie przygotować i komunikatywnie przedstawić rozwiązania zadań oraz referat na wybrany temat z zakresu współczesnej fizyki + + - - - - - - - - -
Skills
M_U001 Student stara się wykorzystać poznane prawa i zasady zachowania, aby przy użyciu odpowiednich metod matematycznych, rozwiązywać typowe problemy i zadania z w/w działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzm i optyka). + + - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student posiada podstawową wiedzę z wybranych działów fizyki klasycznej, tj. elektrostatyki, elektromagnetyzmu i fal elektromagnetycznych i optyki. + + - - - - - - - - -
M_W002 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów elektromagnetyzmu i optyki. + + - - - - - - - - -
M_W003 Student ma wiedzę potrzebną do rozwiązywania prostych zadań rachunkowych z zakresu wykładanych działów fizyki klasycznej (elektromagnetyzmu i optyki) + + - - - - - - - - -
Module content
Lectures:
  1. Ładunki i materia – pole elektryczne (4 h)

    Ładunki elektryczne i zasada zachowania ładunku. Ładunki elementarne. Oddziaływanie pomiędzy ładunkami – prawo Coulomba. Pole elektryczne i wielkości je charakteryzujące. Zasada superpozycji dla układu ładunków. Praca przy przemieszczaniu ładunku i potencjał pola elektrycznego. Związki między wielkościami wektorowymi (siła, natężenie) i skalarnymi (potencjał, energia potencjalna) dla pola elektrycznego. Dipol elektryczny. Strumień pola elektrycznego i prawo Gaussa. Przykłady zastosowań prawa Gaussa.

  2. Kondensatory i dielektryki (2 h)

    Magazynowanie energii elektrycznej. Kondensatory (płaski i cylindryczny). Łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów. Energia i gęstość energii pola elektrycznego. Prawo Gaussa dla kondensatora z dielektrykiem. Trzy wektory elektryczne (natężenie, indukcja, polaryzacja).

  3. Prąd elektryczny i zjawiska termoelektryczne (4 h)

    Natężenie prądu elektrycznego (gęstość prądu, prędkość unoszenia ładunków). Model Drudego. Opór prądu elektrycznego, oporność oraz przewodnictwo elektryczne. Prawo Ohma oraz przykłady odstępstw od tego prawa. Obwód prądu stałego – pomiar prądu oraz napięcia. Prawa Kirchoffa i łączenie oporników. Obwód RC. Siła termoelektryczna oraz zjawiska Seebecka (generacja prądu) i Peltiera (chłodzenie elektryczne). Efekt Thomsona. Prawo Wiedemanna-Franza.

  4. Zjawiska magnetyczne (6 h)

    Pole magnetyczne (linie sił pola i wektor indukcji, strumień pola). Cząstka naładowana w polu E i B (wzór Lorentza). Przewodnik z prądem w polu magnetycznym. Efekt Halla (napięcie i opór Halla). Częstość cyklotronowa. Doświadczenie Thomsona – odkrycie elektronu. Prawo Ampere’a i przykłady zastosowań. Prawo Biota-Savarta. Dipol magnetyczny. Prawo indukcji Faradaya. Indukcyjność i obwód LR. Drgania elektromagnetyczne w obwodzie LC. Obwody prądu przemiennego. Magnetyczne własności materii.

  5. Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne (4 h)

    Równania Maxwella w postaci całkowej (makro) i różniczkowej (mikro). Równanie fali elektromagnetycznej. Związek pomiędzy wektorami E i B. Zakresy fal i wielkości charakterystyczne. Transport energii i wektor Poyntinga. Generowanie fal EM.

  6. Zjawiska świetlne – optyka geometryczna (2 h).

    Odbicie, załamanie, całkowite wewnętrzne odbicie, światłowody, dyspersja a współczynnik załamania. Camera obscura. Zasada Fermata. Równania dla zwierciadeł i soczewek. Uzyskiwanie obrazów, wady odwzorowań oraz ich korekcja. Podstawowe przyrządy optyczne.

  7. Zjawiska świetlne – optyka falowa (4 h).

    Interferencja światła (doświadczenie Younga, koherencja czasowa i przestrzenna) i dyfrakcja światła (pojedyncza szczelina, dwie szczeliny). Zasada Huygensa. Siatki dyfrakcyjne, widma, dyfrakcja promieni X na kryształach (prawo Bragga). Polaryzacja światła. Prawo Malusa. Podwójne załamanie i kąt Brewstera. Efekt Kerra i Faradaya, spektroskopia optyczna i rentgenowska, holografia.

  8. Kwantowa natura światła (4 h).

    Promieniowanie cieplne. Model ciała doskonale czarnego. Rozkład Plancka promieniowania (promieniowanie reliktowe). Relacje Wiena i Rayleigh’a-Jeans’a. Prawo Stephana-Boltzmanna. Prawo przesunięć. Wiena. Hipoteza kwantowania Plancka.

  9. Elementy kosmologii – opcjonalnie (2h)
Auditorium classes:
Dyskusja zagadnień i problemów z fizyki klasycznej (elektromagnetyzm i optyka) przeznaczonych do samodzielnego rozwiązania.

W praktyce oznacza to samodzielne przygotowanie rozwiązań średnio 5-6 zadań na każde ćwiczenia. Zestawy zadań będą udostępniane z tygodniowym wyprzedzeniem. Formą sprawdzenia wiedzy studentów będą krótkie sprawdziany (15-20 min.) z zadań zbliżonych do rozwiązywanych podczas ćwiczeń.

Formę zaliczenia ustalają Prowadzący ćwiczenia (zgodnie z regulaminem studiów AGH).

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 128 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Participation in lectures 30 h
Realization of independently performed tasks 60 h
Examination or Final test 2 h
Participation in auditorium classes 24 h
Preparation for classes 12 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Ocena końcowa z modułu obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (60%) oraz ćwiczeń (40%).

Prerequisites and additional requirements:

Znajomość matematyki po wstępnym kursie analizy i algebry.

Recommended literature and teaching resources:
  1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003 lub nowsze.
  2. J. Orear, “Fizyka”, tom 1 i 2, WNT Warszawa.
  3. Prezentacje do wykładu.
  4. Z. Kąkol, J. Żukrowski – symulacje komputerowe ilustrujące wybrane zagadnienia z fizyki.
  5. Materiały dydaktyczne na stronie www Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej: http://www.ftj.agh.edu.pl/
Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:
  1. Nicolas Muller, Jakub Haberko, Catherine Marichy, Frank Scheffold Silicon hyperuniform disordered photonic materials with a pronounced gap in the shortwave infrared, Advanced Optical Materials 2(2), 115–119 (2014)
  2. Ł. Zinkiewicz, J. Haberko, P. Wasylczyk, Highly asymmetric near infrared light transmission in an all-dielectric grating-on-mirror photonic structure, Optics Express 23 (4), 4206–4211 (2015)
  3. L. S. Froufe-Pérez, M. Engel, P. F. Damasceno, N. Muller, J. Haberko, S. C. Glotzer, F. Scheffold, Role of Short-Range Order and Hyperuniformity in the Formation of Band Gaps in Disordered Photonic Materials, Physical Review Letters 117, 053902-1–053902-5 (2016).
  4. M. Nawrot, J. Haberko, Ł. Zinkiewicz, P. Wasylczyk, Light polarization management via reflection from arrays of sub-wavelength metallic twisted bands, Applied Physics B 123, 285 (2017)
  5. J. Haberko, P. Wasylczyk, Reflecting metallic metasurfaces designed with stochastic optimization as waveplates for manipulating light polarization, Optics Communications 410 (2018) 740
Additional information:

Znajomość matematyki po wstępnym kursie analizy i algebry.
Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności student uzgadnia bezpośrednio z osobą prowadzącą odpowiednie zajęcia