Elektromagnetism och vågrörelselära IF1613

1. Elektromagnetism och vågrörelselära IF1613 Lärare: Gunnar Björk – Kursansvarig, examinator Christian Kothe – Kurskontaktperson Marcin Zwillo – labbassistent Sebastien Sauge – övningsassistent Kursens syften: Lära ut elektromagnetism och vågrörelselära Träna problemformulering och problemlösning Träna studieteknik Kurshemsida: Hemsidan är alltid aktuellast Föreläsnings- och övningsschema + hemtal + gamla tentor med svar + FAQ + kursnämndsprotokoll + kontaktadresser http://www.ict.kth.se/courses/IF1613/

2. 2B1350 → IF1613 år 2008. Vad är behöver 2B1350-studenter veta? Den som har kursen 2B1350 kvar behöver ingen ny bok, kursinnehållet i IF1613 täcks av gamla kursboken. I IF1613 ingår 2 x 4 h laborationer → 6 hp blir 7,5 hp. Labbpek finns för nedladdning från kurshemsidan. Den som ”går” 2B1350 gör inga labbar. 6-gradig betygsskala, A, B, C, D, E, F för den som går IF1613

3. Elektromagnetism och vågrörelselära Vi är här för er skull, inte omvänt Konstruktiv kritik på kursen välkomnas Vi är öppna för synpunkter om kursupplägg et.c. — men vi och tidigare kursnämnder har också en egen uppfattning Kursnämnd — fundera till nästa föreläsning

4. Upplägg: • Föreläsningarna går igenom ny teori. • Oftast tillämpas denna teori på något exempel, dels för att visa tillämpligheten, dels för att visa typiska tillämpningsområden, dels för att visa lösningstekniker. • På övningarna räknas uppgifter från boken och från tidigare tentor • Övningarna syftar dels till att visa tillämpningen av teorin, dels att öva matematisk/fysikalisk problemlösning. • Labbarna syftar till att använda teori samt problemlösningsträningen, samt att göra studenterna förtrogna med några mätinstrument samt behandling av mätdata och rapportskrivning. • För självstudier (c:a 15 h/vecka!) finns i boken svar till alla övningar och på kurshemsidan lösningsförslag till alla extentor, samt en lista som sorterar gamla tentatal efter ”ämnesområde”. • En studentledd övning kommer hållas under kursen. Deltagande i denna är frivilligt. Denna adderar max 5 p. på ord. tenta + årets omtentor, men ger inte någon studiepoäng. • En övningsgrupp

5. Kursnämnd • Två till tre (representativa) teknologer, kursansvarig + övningslärare • Samla in och vidarebefordra åsikter och förslag • Möts två gånger under kursen eller oftare om behov föreligger • Utformar kursenkät (underlag på Daisy) och sammanfattar den • Förslag på representanter/frivilliga?

6. Elektromagnetism och vågrörelselära Hur kopplar elfält och våg till andra ämnesområden? Matematik Diff. och int. Ellära Mekanik Vektoranalys Transformmetoder Elfält och våg Komplex analys Fiberoptisk kommunikation Fotonik Mikrovågsteknik Radioelektronik

7. Denna föreläsning: Rapsodisk historieutveckling av elektromagnetismen Vektorer Koordinatsystem

8. Redan de gamla Egyptierna ... Solen och stjärnorna har funnits i eviga tider och tilldragit sig spekulationer Glas är känt sedan 3000 f.kr, speglar i koppar och brons sedan åtminstone 1900 f.kr. Glasblåsning började utvecklas c.a 250 f.kr. vilket gav möjligheter till rundade glasytor, d.v.s. linser (som romarna använde som ”brännglas”). Både grekerna och romarna studerade refraktion, t.ex. i linser bestående av vattenfyllda glaskupor. Ibn Sahl (940-1000), matematiker i Baghdad tros vara den första att härleda en formel för refraktion.

9. Refraktion Hans Lippershay (1587-1619), glasögonmakare, och Galileo Galilei (1564-1642) utvecklade de första teleskopen. ”Glasögon” hade redan funnits tidigare. Ungefär samtidigt utvecklades det första mikroskopet.

10. Magnetism William Gilbert (1540-1603), MD från Cambridge, anses vara ”den moderna elektricitetslärans fader”. Han klargjorde skillnaden mellan elektrostatiska och magnetostatiska krafter och skrev ett större arbete ”De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure” som utgavs år 1600.

11. Optik, refraktion Sir Isaac Newton FRS (1643–1727) professor, vetenskapsman, parlamentsledamot, chef för myntverket. Newton studerade ljusets färg, refraktion och diffraktion och skrev den första “moderna” avhandlingen om ljus: “Opticks”, utgiven 1704. Newton argumenterade för att ljuset bestod av korpuskler − partiklar.

12. Optik, diffraktion Christiaan Huygens (1629–1695), matematiker, astronom, och fysiker. Föreslog att ljus kunde beskrivas med vågor och lyckades matematiskt visa hur olika interferensfenomen därvid kunde uppstå. Newtons korpuskelteori blev dock snart den dominerande teorin ända till dess Faraday och Maxwell utvecklade den moderna teorin för elektromagnetism.

13. Optik, refraktion Willebrord Snellius (1580–1626), professor i matematik, känd för utvecklandet av metoder för att fastställa jordens diameter, samt för (åter)upptäkten av Snells lag som fastställer sambandet mellan infallsvinkeln och refraktionsvinkeln i t.ex. glas.

14. Elektrostatik Joseph Priestly (1733-1804), teolog, filosof, lärare, och pedagog. Upptäckaren av syre (även Scheele och Lavoisier anses ha upptäckt syret). Upptäckte Coulombs lag och fann därmed att den elektrostatiska kraften påminner om gravitationen (avtar som r-2). Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), lantmätare, militär, vetenskapsman, bekräftade Priestleys upptäckt m.h.a. en egenutvecklad torsionsvåg med vilken han också studerade friktion och viskositet.

15. Elektrodynamik Hans Christian Ørsted ( 1777-1851), fysiker och kemist, den första att framställa aluminium, fastställde experimentellt sambandet mellan electricitet och magnetism. För första gången blev det fastslaget att de båda fenomenen hör samman (till skillnad från gravitationen).

16. Elektricitet Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta ( 1745-1827), greve och vetenskapsman, uppfann kondensatorn samt den galvaniska cellen (prototypen till batteriet). André-Marie Ampère (1775-1836), professor formulerade Örsteds försök i matematiska termer och anses vara elektrodynamikens fader. Georg Simon Ohm (1789-1854), lärare, sedemera avsatt och medellös, fastställde sambandet mellan spänning och ström genom att använda Voltas galvaniska cell.

17. Modern elektromagnetism James Clerk Maxwell (1831–1879), matematiker och fysiker, Faradays elev, lyckades sammanföra de kända lagarna för elektrostatik och elektrodynamik till ett set kompkta och kraftfulla ekvationer. Gjorde också banbrytande insatser inom statistisk mekanik och termodynamik. Michael Faraday, FRS (1791–1867), självlärd kemist och fysiker, upptäckte bensen, studerade elektromagnetisk induktion, diamagnetism och elektrolys. Utvecklade de första elektriska motorerna. Av många ansedd som världshistoriens bästa experimentalist.

18. Supraledning Heike Kamerlingh Onnes (1853–1926), Nobelpristagare, professor, först i världen att kyla helium till flytande fas, observerade för första gången supraledning (av kvicksilver).

19. Elektronik William B. Shockley (1910–1989) Walter H. Brattain (1902 –1987) John Bardeen (1908–1991) Nobelpristagare 1956, forskare vid AT&T Bell Laboratories, uppfinnarna av transistorn, efterföljaren till vacuumrörtuberna (såsom trioden) och en av de viktigaste anledningarna till att IT-linjen överhuvudtaget existerar.

20. Elektroniska kvanteffekter Klaus von Klitzing, (1943-), Nobelpristagare i fysik 1985, professor, upptäckaren av den .kvantiserade (heltals)-Halleffekten som ger möjlighet att bestämma resistans med tidigare oöverträffad noggrannhet. RK = h / e2 = 25812.807449(86) Ω

21. och utvecklingen fortsätter ... Albert Fert (1938- ) Peter Grünberg (1939- ) Nobelpristagare i fysik 2007, professorer, upptäckare av den gigantiska magnetoresistiva effekten vilket till del har lagt grunden till den exponentiella utvecklingen , både pris- och prestandamässigt, för magnetiska lagringsmedia.

22. ... och fortsätter ... Nobelpristagare 2009 George E. Smith, 1930- Charles Kao, 1933 - Willard Boyle, 1924 - “för banbrytande insatser angående ljustransmission i fibrer för optisk kommunikation” “för uppfinningen av en avbildande halvledarkrets – CCD-detektorn”

23. ... och fortsätter ... ? NN, IT-student från KTH, Nobelpristagare i fysik 2025, ”för upptäckten av ….”

24. Vektorräkning y _ ^ En vektor har både en storlek och en riktning. ey V Fixt Cartesiskt koordinatsystem: x ^ ex _ W ^ eq y _ Polärt koordinatsystem: Talen q och r bestämmer vektorn. ^ V er r q x

25. Nabla, grad, och div Nabla är en användbar vektoroperator: Gradienten av ett skalärt fält ger förändringen till storlek och riktning Divergensen av ett vektorfält visar om flöde skapas eller förintas

26. Differentiella ytelementet på ytan av en sfär r Jorden från ekvatorsplanet Ytelementet Jorden från norra jordaxeln Volymselementet för en sfär fås genom att multiplicera ytelementet med dr