Electricity and magnetism (EleMagn)
Akademický SP:
FU:FYBSC0005 – Bc SP Fyzika: 4/2/0, 7 kreditů, Zk
Profesní SP:
FU:APUNAT22 – Bc SP Aplikovaná fyzika: 4/2/0, 7 kreditů, Zk
FPF:UFMMTBP004 – Bc SP Multimediální techniky: 4/2/0, 7 kreditů, Zk
Garance/přednášky: doc. RNDr. Stanislav Hledík, Ph.D.
Teoretická cvičení: RNDr. Jan Hladík, Ph.D., <jan.hladik@physics.slu.cz>, +420 553 68 4265
Laboratorní praktika (garance): Mgr. Daniel Charbulák, Ph.D., <daniel.charbulak@physics.slu.cz>, +420 553 68 4265
Laboratorní praktika (výuka): RNDr. Hynek Sekanina, Ph.D., <hynek.sekanina@.physics.slu.cz>; PaedDr. Jiří Duda, <jiri.duda.1@slu.cz>
Přednáškoví demonstrátoři: PaedDr. Jiří Duda, <jiri.duda.1@slu.cz>, a Filip Janoštík, <jan0337@slu.cz>
Informace o kursu ● Výuka ● Hodnocení a zkoušení ● Laboratorní praktika ● Literatura ● Odkazy a zdroje ● Hudební intermezza ● Často kladené dotazy
Anotace
V kursu induktivním způsobem vybudujeme základy klasické teorie elektromagnetického pole. Završíme je formulací pohybových rovnic elektromagnetického pole – Maxwellových rovnic – a odvozením jejich základních důsledků.
Sylabus
Šedý text platí pouze pro kurs akademického studijního programu, tj. FU:FYBSC0005.
1. Role elektromagnetismu ve stavbě světa a elementární poznatky o něm
Co drží “náš makrosvět” pohromadě? Některé elektromagnetické jevy: bouřky, výboje, polární záře, duha a atmosférické optické jevy, bioelektromagnetické jevy, jaderná magnetická resonance, částicový urychlovač, indukční sporák, mikrovlnná trouba, rádio, počítač, magnetická levitace, elektrická kytara, Theremin, … Historický a dnešní pohled na stavbu hmoty. Vodiče, nevodiče, polarisace. Elektrický náboj. Silové působení mezi elektrickými náboji, Coulombův zákon a princip superposice. Porovnání magnitudy elektrické, gravitační a jaderné interakce. Elektroskop a Van de Graaffův generátor. Pár matematických prerekvisit: skalární a vektorový součin, fyzikální pole skalární a vektorové a jejich původ v hydrodynamice. První ze základních konceptů: tok vektorového pole plochou, jeho ilustrace na pohybu tekutin.
2. Elektrické pole, elektrický dipól a rozvoj formalismu
Rozvedení konceptu toku vektorového pole neuzavřenou a uzavřenou 2D plochou ve 3D prostoru. Grafické znázorňování skalárních a vektorových polí. Konservativní vektorové pole, gradient skalárního pole, ekvipotenciály. Intensita elektrického pole, superposice, důležité nábojové konfigurace – rovnoměrně nabitá úsečka, prstenec, disk. Blízké a vzdálené pole. Elektrický dipól a jeho pole, silové působení na dipól ve vnějším elektrostatickém poli. Popis diskrétního a spojitého rozložení elektrického náboje (objemové, plošné, lineární), výpočet elektrického pole systémů diskrétních nábojů a spojitého rozložení náboje integrací, obecné vyjádření intensity elektrického pole. Divergence vektorového pole a Gaussův teorém.
3. Symetrie a Gaussův zákon elektrostatiky
Symetrie a její význam, často se objevující typy symetrie, ilustrace. Tok elektrického pole plochou, Gaussův zákon elektrostatiky v integrálním tvaru. Použití Gaussova zákona pro výpočet elektrostatického pole nábojových systémů se symetrií (nekonečné přímé vlákno, tyč, trubice, nekonečná rovina a rovinná vrstva, koule, kulová vrstva, sféra ap.). Elektrostatické pole v blízkosti a ve velké vzdálenosti od homogenně nabitých útvarů konečné velikosti (konečné přímé vlákno či tyč, obdélník ap.). Chování intensity elektrického pole na nabitém rozhraní. Gaussův zákon v diferenciálním tvaru.
4. Elektrostatický potenciál a výboje
Druhý ze základních konceptů: křivkový integrál vektorového pole, cirkulace vektorového pole, ilustrace na pohybu tekutin. Konservativní vektorové pole. Potenciální energie a potenciál elektrostatického pole, vztah mezi intensitou elektrického pole a potenciálem, gradient a ekvipotenciály. Potenciál důležitých rozdělení náboje (nekonečné přímé vlákno, tyč, trubice, nekonečná rovina a rovinná vrstva, koule, kulová vrstva, sféra ap.). Elektrický dipól a jeho pole, síla a silový moment na elektrický dipól nacházejícího se ve vnějším elektrostatickém poli. Potenciál v blízkosti a ve velké vzdálenosti od nabitých útvarů konečné velikosti. Interakční energie soustav nábojů diskrétně a spojitě rozložených. Chováná elektrické intensity a potenciálu na plošně nabitých rozhraních. Obecné vyjádření potenciálu, výpočet potenciálu integrací přes nábojové systémy, Poissonova a Laplaceova rovnice. Chování vodičů v elektrickém poli, potenciál vodičů, elektrostatické stínění, elektrostatické generátory, elektrické výboje. Silové účinky elektrostatického pole na vodiče. Rotace vektorového pole a Stokesův teorém.
5. Kapacita, energie elektrického pole, dielektrika
Kapacita osamoceného vodiče a dvou vodičů. Výpočet kapacity pro základní symetrie (planární, cylindrickou, sférickou). Kondensátor jako elektronická součástka a jeho konstrukce. Ekvivalentní kapacita paralelního a sériového zapojení kondensátorů. Energie uložená v nabitém kondensátoru, hustota energie elektrostatického pole, porovnání hustoty elektrického pole s hustotami energie jiných typů energie. Experimenty se změnou vzdáleností desek rovinného kondensátoru. Chování dielektrik v elektrostatickém poli, typy dielektrik. Elektrický dipól ve vnějším elektrostatickém poli, vázaný polarisační náboj, polarisace, elektrická susceptibilita, dielektrická konstanta a relativní permitivita. Vektor elektrické indukce, Gaussův zákon v přítomnosti dielektrika v integrálním a diferenciálním tvaru. Kondensátory s dielektriky, experimenty s vkládáním dielektrik do rovinného kondensátoru. Plošná a objemová hustota polarisačního náboje. Interakce elektrických dipólů. Hustota energie elektrostatického pole v dielektrikách. Chování elektrické intensity a elektrické indukce na rozhraní dielektrik.
6. Transport elektrického náboje, elektrický proud a stejnosměrné obvody
Elektrický proud ve vakuu i v látkovém prostředí, zákon zachování náboje – rovnice kontinuity v integrálním a diferenciálním tvaru. Vedení elektrického proudu v látkovém prostředí – Ohmův zákon v diferenciálním a integrálním tvaru, měrný odpor, měrná vodivost, jejich teplotní závislost. Vedení elektrického proudu v elektrolytech a v plynech. Práce a výkon při průchodu elektrického proudu vodičem, hustota výkonu elektrického proudu. Náboj na rozhraní dvou vodičů protékaných proudem. Proudová vrstva. Výpočet odporu složitějších geometrických konfigurací. Elektrické obvody a jejich elementy, resistory, elektromotorické napětí a jeho zdroje, vnitřní odpor. Ekvivalentní odpor sériově a paralelně zapojených rezistorů. Kirchhoffovy zákony, řešení stejnosměrných obvodů. Měření napětí a proudu. Nabíjení a vybíjení kondensátoru (RC obvod). Elektrická vodivost ve vodičích a polovodičích, PN přechod, polovodičová dioda a její varianty, transistor. Poznámka o skladování elektrické energie a přeměnách energie obecně. Pohyb nabitých částic v příčném a podélném elektrickém polí.
7. Magnetické pole: pohyb náboje v něm, zdroje magnetického pole
Empirická fakta o magnetismu. Zavedení magnetického pole – vektor magnetické indukce, Lorentzova síla. Magnetická síla na vodič protékaný elektrickým proudem. Proudová smyčka, magnetický dipól a jeho magnetické pole. Potenciální energie, síla a silový moment na magnetický dipól nacházející se ve vnějším magnetickém poli. Pohyb nabité častice v magnetickém poli, hmotnostní spektrometr. Vektorový potenciál magnetického pole. Relativistická podstata magnetických jevů (kvalitativně). Biotův–Savartův zákon a jeho využití pro výpočet magnetických polí. Ampèrův zákon v integrálním a diferenciálním tvaru. Magnetické pole důležitých proudových rozložení (nekonečný přímý vodič, nekonečná vodivá deska, kruhová smyčka, solenoid). Síly mezi vodiči protékanými proudem. Definice jednotky elektrického proudu – 1 Amper. Magnetické pole pohybujícího se bodového náboje. Gaussův zákon pro magnetické pole – neexistence magnetického náboje (magnetického monopólu) v integrálním a diferenciálním tvaru.
8. Magnetické pole v látkovém prostředí, opakování a rozvoj formalismu
Magnetické materiály, jejich chování v magnetickém poli a klasifikace (diamagnetické, paramagnetické, feromagnetické). Proudová smyčka, magnetický dipól, magnetisace, magnetická susceptibilita, relativní permeabilita. Magnetická intensita. Paramagnetismus, diamagnetismus, feromagnetismus. Hystereze. Magnetický obvod, Hopkinsonův zákon. Permanentní magnety. Levitace v magnetickém poli. Geomagnetismus. Hallův jev. Opakování a rozvoj matematického formalismu. Elektrostatická analogie.
9. Elektromagnetická indukce, energie magnetického pole
Experimentální fakta. Elektromotorické napětí způsobené pohybem vodiče. Magnetický tok, Faradayův indukční zákon v integrálním a diferenciálním tvaru, Lenzovo pravidlo. Indukované elektrické pole. Elektrické generátory. Vířivé proudy. Vzájemná a vlastní indukčnost. Vzájemné a vlastní indukčnosti některých aplikačně důležitých soustav (rovinná smyčka, solenoid, toroidální cívka). Energie a hustota energie magnetického pole. Obvod s odporem a indukčností (RL obvod). Sériový RLC obvod. Nevěřte své intuici v nekonservativním poli! Případová studie permanentního magnetu padajícího přes vodivou smyčku. Chování magnetické indukce a intensity na rozhraní s plošným proudem. Induktor (cívka) jako elektronická součástka.
10. Střídavé obvody a jejich aplikace
Opakování vlastních oscilací RLC obvodu. Zdroje střídavého elektromotorického napětí. Vynucené oscilace sériového a paralelního RLC obvodu, transientní jevy, resonance, šířka resonančního píku, činitel jakosti, ladění sériového RLC obvodu. Čistě rezistivní, induktivní, kapacitní zátěž zdroje střídavého napětí. Kapacitance, induktance, impedance. Komplexní notace pro řešení střídavých obvodů. Práce a výkon ve střídavých obvodech, účiník. Přenos elektrické energie, transformátor. Třífázový proud, točivé magnetické pole, elektromotory.
11. Maxwellovy rovnice
Rekapitulace dílčích zákonů (Gaussův zákon elektrostatiky, neexistence magnetického monopólu, Faradayův indukční zákon, Ampèrův zákon). Zobecnění Ampèrova zákona doplněním posuvného (Maxwellova) proudu (displacement current) a jeho zdůvodnění. Zobecnění dílčích zákonů do formy Maxwellových rovnic v integrálním tvaru. Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru. Kvasistatické pole. Vlastnosti Maxwellových rovnic. Hustota energie a hustota toku energie elektromagnetického pole (Poyntingův vektor), zákon zachování energie a hybnosti elektromagnetického pole. Kudy teče elektromagnetická energie ze zdroje do spotřebiče? Elektromagnetické pole a speciální teorie relativity – letmé nahlédnutí.
12. Důsledky Maxwellových rovnic a jemný průnik do optiky
Rovinná elektromagnetická vlna a její vlastnosti. Stojaté elektromagnetické vlny. Vlnová rovnice. Elektromagnetické spektrum. Šíření elektromagnetických vln. Obvod se soustředěnými a s rozprostřenými parametry. Přenos energie elektromagnetickými vlnami. Hybnost a tlak elektromagnetického záření. Polarizace elektromagnetických vln. Generování elektromagnetických vln, záření oscilujícího dipólu, antény. Duha, gloria a další optické jevy v atmosféře. Přehled jednotek, soustava SI a CGS. Nukleární magnetická resonance a její využití pro tomografické zobrazování v medicíně – Magnetic Resonance Imaging (MRI).
Přednášky
Standardní čas přednášky: podle aktuálního rozvrhu.
Univerzitní přednáška není povinná, prezence se provádět nebude. V teoretickém i laboratorním cvičení budou vyučujícími stanoveny limity na účast (výjimku tvoří studenti se schváleným ISP, kteří se dohodnou se cvičícím na podmínkách individuálně). Doporučuji se přednášek zúčastňovat, při zkoušce mě však zajímají pouze znalosti, nikoli účast na přednáškách.
V rámci přednášky využívané online materiály naleznete v mém Dropbox cloudu přes zkrácený odkaz
v adresáři EleMagn (případně můžete použít přímý link do něj).
Přednáška nenahrazuje učebnici, učebnice nenahrazuje přednášku. Vzájemně se podporují. Na přednášce se budu vyhýbat zdlouhavým odvozením – pro ta slouží učebnice, cvičení, samostatné studium, případně konzultace. Odvozovačky jsou “intimní” záležitost. Na přednášce budu klást důraz na koncepty a snažit se vás vést k tomu, abyste “viděli skrze a za matematické formule”.
V případě, že něčemu neporozumíte, jsou k dispozici konzultace.
Některé počítačové demonstrace na přednáškách budu dělat pomocí technologií Wolfram Research. Budete je mít zpřístupněné na cloudu (odkaz viz výše) ve složce EleMagn/Demonstrations. Pro jejich přehrání potřebujete program Wolfram Player. Pokud by někdo měl seriózní zájem o oficiální studentskou licenci programu Wolfram Mathematica, která mj. umožňuje tyto demonstrace vytvářet, nechť se na mě obrátí.
K dispozici jsou videozáznamy přednášek z akademického roku 2020/2021, kdy výuka probíhala výlučně online způsobem. Jelikož jsem byl zároveň přednášejícím, technikem, zvukařem, osvětlovačem, režisérem, střihačem (žádný střih není), kulisákem a zajišťovačem cateringu, projevilo se to (hlavně v prvních lekcích, od nichž se postupně zlepšovalo technické vybavení i moje multimediální dovednosti) negativně na kvalitě; žádám proto o nezveřejňování tohoto “unlisted” odkazu. Děkuji.
Pro případ mimořádných okolností uvádím odkaz na organizaci případné online výuky.
Teoretická cvičení
Podrobné informace vám poskytne vyučující Dr. Hladík (kontakty jsou v záhlaví stránky).
Akademické studijní programy: týká se kursu FU:FYBSC0005:
Úlohy ze sbírky “Irodov” – cvičící dodá české překlady a další materiály.
Profesní studijní programy: týká se kursů FU:APUNAT22, FPF:UFMMTBP004:
Úlohy z učebnice “Halliday-Resnick-Walker”. Cvičící vám je postupně bude sdílet včetně kompletních řešení (proto postupuje podle 9. vydání anglického, kde je úloh o něco více než ve vydání českém, ale jsou k nim napsány autorské postupy řešení.
Laboratorní cvičení
Viz Laboratorní praktika.
Pokud není sděleno jinak, u zkoušek z tohoto předmětu není dovoleno používat mobilní telefony, tablety, notebooky resp. jiné digitální nebo analogové komunikační prostředky, a to ani v offline režimu.
Akademické studijní programy
Týká se kursu FU:FYBSC0005.
Zkouška má písemnou a ústní část. Písemná část sestává z šesti úloh s dobou řešení max. 150 minut. Každá z úloh je hodnocena 0 až 5 body; můžete tedy získat nejvýše 30 bodů. Úlohy budou vybírány z úloh v povinné učebnici nebo z úloh analogických, a dále z typů úloh, které byly řešeny na cvičeních. Ukázku písemné části najdete na výše uvedeném cloudu ve složce EleMagn/Exams. Ústní část má formu rozpravy nad Vašimi řešeními úloh písemné části, která předtím prohlédnu a předběžně opravím. Téma rozpravy se bude odvíjet od postupu Vašich řešení. Budete mít možnost využít v rozpravě získaná “nasměrování” a svá řešení případně na jejich základě dodatečně “dotáhnout” a obhájit.
Výsledek zkoušky je klasifikován na základě bodového zisku podle 30-bodové klasifikační stupnice.
Profesní studijní programy
Týká se kursů FU:APUNAT22, FPF:UFMMTBP004.
Zkouška je pouze písemná a sestává ze čtyř úloh s dobou řešení max. 120 minut. Každá z úloh je hodnocena 0 až 5 body; můžete tedy získat nejvýše 20 bodů. Úlohy budou vybírány z technicky méně náročných úloh v povinné učebnici nebo z úloh analogických, a dále z typů úloh, které byly řešeny na cvičeních. Ukázku písemné části najdete na výše uvedeném cloudu ve složce EleMagn/Exams. Po oznámení výsledků písemné práce máte – v případě zájmu – možnost upravit si klasifikaci v dodatečné ústní zkoušce, při níž si vylosuje jednu zkušební otázku z níže uvedeného seznamu. Odpověď na tuto otázku je hodnocena −1 (minus jedna), 0, 1, 2, 3 body, v dodatečné ústní zkoušce si tedy lze polepšit, ale i pohoršit. (Minus jeden bod je penalizací za vzdání ústní zkoušky po vylosování otázky nebo ukáže-li se, že téma neovládáte.) Před samotnou dodatečnou ústní zkouškou máte 10 minut na přípravu.
Výsledek zkoušky je klasifikován na základě bodového zisku podle 20-bodové klasifikační stupnice.
1. Coulombův zákon, intensita a potenciál elektrostatického pole.
2. Kapacita, kondensátor, paralelní a sériové zapojení kondensátorů, energie nabitého kondensátoru, aplikace.
3. Elektrický dipól ve vnějším elektrostatickém poli, polarisace dielektrika, elektrická susceptibilita, dielektrická konstanta a relativní permitivita.
4. Elektromotorické napětí a řešení stejnosměrných obvodů se zdroji EMN a rezistory, měření napětí a proudu.
5. Elektrický proud, Ohmův zákon, zákon zachování náboje a jeho důsledky.
6. Působení magnetického pole na elektrický náboj a jeho aplikace.
7. Výpočet magnetického pole v symetrických případech pomocí Ampèrova zákona a Biotova–Savartova zákona.
8. Faradayův zákon elektromagnetické indukce a jeho aplikace.
9. Indukčnost, cívky a energie magnetického pole, aplikace.
10. Magnetické pole v látkovém prostředí, magnetické materiály a jejich klasifikace.
11. Střídavé obvody, rezistance, induktance, kapacitance, impedance, sériový RLC obvod.
12. Práce a výkon v elektrickém obvodu, Jouleův zákon.
Organizace praktik v LS bude včas oznámena vedoucím a garantem praktik Dr. Charbulákem. Ukázkové protokoly z minulých let najdete na výše uvedeném cloudu ve složce EleMagn/Labs. Další informace vám poskytnou vyučující v praktiku Dr. Sekanina a Dr. Duda (kontakty jsou v záhlaví stránky).
Učebnice nenahrazují přednášku, přednáška nenahrazuje učebnice. Vzájemně se podporují.
[Odkazy uvedené v této sekci byly naposledy ověřeny návštěvou 14. února 2024.]
Povinná učebnice
Liao, Sen-ben & Dourmashkin, Peter & Belcher, John W., Kurz MIT „Fyzika 8.02 Elektřina a magnetizmus” na Aldebaran.cz pod odkazem “Kurz”, fyzikální projekt TEAL/Studio a Massachusetts Institute of Technology, český překlad pro Aldebaran.cz David Břeň, Ivan Havlíček, Vítězslav Křiha, Petr Kulhánek, Jan Pacák, Jakub Rozehnal, Vladimír Scholtz. Anglický originál je dostupný na MIT Physics 8.02 Electricity & Magnetism pod Course Notes.
Doplňková literatura
Purcell, E. M. (1984), Electricity and Magnetism, Berkeley Physics Course, Vol. 2, McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2nd Ed., ISBN 978-0070049086.
Komentář: skvělá učebnice, 2. díl ze série Berkeleyského kursu fyziky, od spolulaureáta Nobelovy ceny 1952 za fyziku (E. M. Purcell a F. Bloch) za nové metody přesných měření jaderného magnetismu a související objevy. Lze získat 3. vydání (spoluautorované D. J. Morinem) ve formátu PDF po zadání citace až po “Vol. 2” do vyhledávače.
Halliday, D. & Resnick, R. & Walker, J. (2002), Fyzika: vysokoškolská učebnice obecné fyziky. Část 3, Elektřina a magnetismus, Prometheus, Vysoké učení technické – Vutium, Praha, Brno, ISBN 80-214-1868-0. (Redakce českého překladu: Marian Štrunc, Jan Obdržálek, Petr Dub.)
Komentář: lze zapůjčit z knihovny SU; barevně vypravená bohatě ilustrovaná učebnice, ideální volba pro ty, kdo mají v oblibě hollywoodský styl presentace.
Feynman, R. P. & Leighton, R. B. & Sands, M. (2006), Feynmanovy přednášky z fyziky 2/III, druhý díl známých Feynmanových přednášek, přeložili Ivan Štoll, Igor Jex a Denisa Lišková, nakl. Fragment, ISBN 80-7200-420-4.
Komentář: Feynmanovy přednášky jsou “feynmaneskní”. Doporučuji přečíst si až po absolvování základního kusu, kdy se vědomosti poněkud utřepou.
Irodov, I. E. (1988), Problems in General Physics (Part Three – Electrodynamics), Mir Publishers, Moscow, 1st Edition, 3rd printing, ISBN 5-03-000800-4.
Irodov, I. E. (1988), Basic laws of electromagnetism, English translation, Mir Publishers 1986, 1st Indian Edition 1994 CBS Publishers & Distributo, New Delhi, Reprint 2001, ISBN 81-239-0306-5.
Komentář: O kvalitách “Irodovů” svědčí anglické překlady ruských originálů.
Sedlák, B. & Štoll, I. (2002), Elektřina a magnetismus, Academia, Praha, 2. vydání, ISBN 80-200-1004-1.
Komentář: standardní kvalitní česká učebnice.
[Všechny byly naposledy ověřeny návštěvou 14. února 2024]
Videozáznamy mých online přednášek v LS 2020/21 na YouTube. V přednáškách se (bohužel) vyskytují přeřeknutí resp. formulační nejasnosti. Nemaje dost času na zpětná zhlédnutí videí, žádám každého objevitele přebreptů o upozornění kterýmkoliv kanálem uvedeným v záhlaví stránky). Nahlášené i mnou zjištěné kiksy budu průběžně zveřejňovat v popisu dotyčného videa. Materiály k přednáškám jsou k dispozici zde (viz též sekci Výuka).
Skvělé videolekce z OpenCourseWare Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA (Complete Lectures by Walter Lewin). Na vyžádání mohu poskytnout transkripce a mnoho dalších souvisejících materiálů, které již na webu nanajdete:
8.02 Physics II: Electricity and Magnetism, Spring 2002
Podobné videolekce na stránkách OCW MIT, z nichž jsou převzaty i některé demonstrace promítané na přednáškách. Na těchto stránkách byly před lety i výše uvedené videolekce W. Lewina, z jistých důvodů spojených s nešťastným vývojem ve světě byly staženy. Na YouTube však jsou stále k dispozici.
8.02x Electricity and Magnetism Problem Solving – YouTube kanál s “videořešeními” úloh k videolekcím z OpenCourseWare MIT (viz výše) přímo od přednášejícího Waltera Lewina. Objevil Jiří Roman Moronga, student kursu Elektřina a magnetismus v letním semestru 2021/22.
Feynmanovy přednášky online – Feynmanesque!
Caltech ● Caltech ● Microsoft Project Tuva (tento poslední link již nefunguje, ponechávám jej jako svědka z kloubů vymknuté doby)
Walter Fendt: velmi pěkné a instruktivní animace nejen z elektromagnetismu (je třeba sjet na stránce kousek dolů). Budu používat i na přednáškách:
https://www.walter-fendt.de/html5/phcz/
Průvodce kursy fyziky na MFF UK v Praze: Elektřina a magnetismus
Sbírka experimentů na Katedře didaktiky MFF UK v Praze: http://fyzikalnipokusy.cz/
Jim Al-Khalili: Shock and Awe – The Story of Electricity. In this three-part BBC Horizon documentary physicist and science communicator Jim Al-Khalili takes the viewer on a journey exploring the most important historical developments in electricity and magnetism. This documentary discusses how the physics (and the people behind the physics) changed the world forever.
Experimenty s elektrickým nábojem v magnetickém poli. Magnet a CRT (Cathode Ray Tube) obrazovka, jednoduché elektrické motory z AA baterie, neodymového magnetu a kusu drátu.
Monster magnet meets computer… ● How to make the simplest electric motor ● Unexplained Phenomenon – Simplest Electric Motor ● These Hearts Are On Fire
Jak správně vyslovovat „Huygens“? Christiaan Huygens, FRS (Latin: Hugenius), 14. 4. 1629-8. 7. 1695. „Hauchens“? Kdo není Holanďan, nikdy nemůže „Huygens” vyslovit správně!
Ernst Leitner, Ulrich Finckh – další stránka s animacemi z různých oblastí fyziky: LEIFIphysik
Van de Graaffův generátor:
Van de Graaff generator wonders ● VdG on Wikipedia ● Robert Jemison Van de Graaff's bio
Elektrické výboje:
Výboje v různých plynech za sníženého tlaku ● Obloukový výboj v 500 kV rozvodně ● Obloukový výboj v laboratoři
Kuriózní elektrostatické generátory:
Kelvinův bouřkostroj (Kelvin Water Dropper) ● Armstrongův elektrostatický kotel (Armstrong's Electrostatic Boiler)
Krásné elektrické (i jiné) hračky: eXtreme Kits
Demonstrace elektromagnetické indukce z filmu Pelíšky. Sami toto doma nikdy nezkoušejte! Don’t try this at home!
https://www.mylms.cz/vyderzaj-pianer/ ● http://danyk.cz/soker.html
Elektrické isolátory na elektrických vedeních a proč jsou tvarovány tak, jak jsou?
Magnetická levitace:
Diamagnetická levitace: DYI levitace pyrolytického grafitu
Supravodivá levitace: Superconducting magnetic levitation
Levitace permanentních magnetů: Tim sets up the Levitron ultimate, magnetic locking w/o a superconductor
“Lenzova” levitace: Levitating Barbecue!
Falešná magnetická levitace: tohle není opravdová magnetická levitace, jsou zde nemagnetické vazby (lana)!
Různé weby věnované elektřině a magnetismu. Takový trochu E&M pell-mell:
http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/219-elektrina-a-magnetismus ● http://webfyzika.fsv.cvut.cz/1elmg.htm
Fyzikální konstanty a systémy jednotek. Aktuální hodnoty fyzikálních constant, soustavy jednotek SI, CGS, Gaussova, a některé další stránky s převody:
https://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html ● http://www.asu.cas.cz/~bezdek/fyzika/vlnDelka_frekvence_teplota.php
https://en.wikipedia.org/wiki/International_System_of _Units ● https://en.wikipedia.org/wiki/CGS_system _of _units ● https://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_units
Elektromagnetické jevy v atmosféře. Blesky, bouřky, oheň Sv. Eliáše, duha, gloriole, halové jevy, …
Optické úkazy v atmosféře ● Atmospheric Optics ● https://www.chasseurs-orages.com/thunderstorm-photos-warner.htm ● https://youtu.be/Py5mkrrcLPU
Test barvosleposti: Color Blind Test – Test Your Color Blindness
Geomagnetismus v Opavě. Velikost, sklon a deklinace geomagnetického pole v Opavě:
https://www.wolframalpha.com/input/?i=geomagnetism+49.935175N+17.896731E
Navigace v civilním letectví: přechod od magnetických směrů ke skutečným (geografickým).
Ilustrace Faradayova zákona elektromagnetické indukce pomocí interakce silného permanentního magnetu a vodivé smyčky:
Neodymium magnet in copper pipe ● Copper's Surprising Reaction to Strong Magnets ● Neodymium magnet floats amazingly in fat copper pipe
Can The Faraday Paradox Be Solved?
Theremin – úžasný hudební nástroj. Sólo v „Once Upon a Time in the West“, historie a fyzika thereminu:
https://youtu.be/lY7sXKGZl2w ● https://cs.wikipedia.org/wiki/Theremin ● https://youtu.be/KDG15-iTJLw
MRI – zobrazování pomocí (nukleární) magnetické resonance:
How does an MRI machine work? ● The Basics of MRI by Joseph P. Hornak
Jak nebezpečné jsou feromagnetické předměty v blízkosti MRI gantry?
How dangerous are magnetic items near an MRI magnet? ● Playing with MRI before quenching 2019
Šíří se elektrická energie vodiči nebo jinudy? ● The Big Misconception About Electricity by Veritasium ● Understanding Electromagnetic Radiation! and How does an Antenna work? by Lesics
Resonance – spektakulární resonanční jevy (Tacoma Bridge, rozbíjení sklenic zvukem, …)
https://youtu.be/3mclp9QmCGs ● https://youtu.be/j-zczJXSxnw
https://youtu.be/17tqXgvCN0E ● https://youtu.be/ECNDpCYvaOc
https://youtu.be/RihcJR0zvfM ● https://youtu.be/D2tHA7KmRME
Informace k elektromobilitě:
https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density ● Elektromobilita ústy odborníka
J. Morkus, J. Macek (FS ČVUT): Kam kráčíš, elektromobilito? ● Expert ČVUT vs. elektromobilista Hataš
Také letadla na baterky?
http://www.planes.cz/cs/article/205891/letadla-na-baterky-na-baterky
YouTube kanál Názorná elektrotechnika od samouka pro samouky. Dodatek: “Eddy current” se česky řeknou “vířivé proudy”, ne “výřivé proudy”.
Každá lekce je spojena s hudbu docela volně asociovanou s tématem lekce nebo s některým v ní probíraným pojmem.
Lekce 1: Van der Graaf Generator – Mathematics (2011)
Lekce 2: Bloc Party – Flux (2007)
Lekce 3: Santa Fe Institute – Music + Math: Symmetry (2014)
Lekce 4: Slade – Far Far Away (1974), Led Zeppelin – Over the Hills and Far Away (1973)
Zde se mj. zabýváme chováním potenciálu a intensity elektrického pole v blízkosti elektricky nabitých útvarů (tj. ve vzdálenosti malé ve srovnání s vlastními rozměru útvaru) a ve velké vzdálenosti od nich (tj. ve vzdálenosti velké ve srovnání s vlastními rozměru útvaru).
Lekce 5: Led Zeppelin – Stairway To Heaven (1971)
Lekce 6: AC/DC – Highway to Hell (1979)
Co k tomu říci? Název skupiny si o zařazení říká. AC = Alternating Current (střídavý proud), DC = Direct Current (stejnosměrný proud). AC/DC je označení měniče (adaptéru) střídavého proudu na stejnosměrný, název skupiny “symbolised the band's raw energy, power-driven performances of their music”.
Lekce 7: Procol Harum – A Whiter Shade of Pale (Original Single Version, 1967)
Ve skladbě dominují elektromechanické Hammondovy varhany, které tvoří tón rotací zoubkovaného kolečka (tonewheel) v blízkosti cívky s jádrem. Jak je jádro míjeno zoubky na obvodu kolečka, mění se magnetický tok cívkou a podle indukčního zákona dostáváme z cívky modulované elektromotorické napětí pro zesílení do elektroakustických měničů. Spektrum zvuku závisí na tvaru zoubkování; jeho změnou je lze měnit. Dnes se již elektromechanický princip nepoužívá, místo něj nastoupily digitální technologie, nicméně pro staromilce jsou elektromechanické “hammondky” nenahraditelné.
Lekce 8: The Beatles – Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band (1967, remastered 2009)
Slavný Seržant Pepř patří do období, kdy The Beatles experimentovali v londýnském nahrávacím studiu Abbey Road. Úvod skladby měl evokovat pouťovou atmosféru povyku, parních varhan. Magnetickou pásku s ... rozstříhali na fragmenty, ty pomíchali, sesbírali a slepili.
Lekce 9: Jimi Hendrix – Hey Joe (1965)
Lekce 10: Jára Cimrman – Elektrický valčík (1982)
Ohledně způsobu distribuce elektromagnetické energie (stejnosměrný vs. střídavý proud) se v USA se v předposlední dekádě 19. století vedl spor (“válka proudů”) mezi Thomasem Edisonem (proponent DC) a Georgem Westinghousem (proponent AC). Fyzikální důvod příklonumk AC bude vysvětlen na přednáškách.
Lekce 11: The Beatles – Maxwell's Silver Hammer (on Abbey Road album, 1969), King Crimson – The ConstruKction of Light (lyrics)
Lekce 12: Katica Illényi (thereministka) – Once Upon a Time in The West (E. Morricone, 1968), West Side Story – Maria (L. Bernstein, 1957)
—
