FT504: Elektromagnetisme og optik

Studerende, der følger kurset, forventes at:

• Have kendskab til FT501: Matematik (10 ECTS) eller MM536: Calculus (10 ECTS), FT500: Mekanik og Termodynamik (10 ECTS), og FT502: Elektronik (5 ECTS).

Kurset har til formål at gøre den studerende fortrolig med fundamental viden indenfor elektromagnetisme og optik.
Kurset giver et fagligt grundlag for at studere elektrodynamik og optiske fænomener på et grundlæggende niveau og på kurser, der er placeret senere i uddannelsen.

I forhold til uddannelsens kompetenceprofil har kurset eksplicit fokus på at:

• Give færdigheder i at undersøge fysiske fænomener teoretisk og eksperimentelt
• Give viden om fysikkens grundlæggende teorier og deres formulering og eksperimentelle metode

For at opnå kursets formål er det læringsmålet for kurset, at den studerende kan:

Viden

• definere elektriske og magnetiske felter, og centrale begreber som ladnings- og strømtæthed samt fluxtæthed og elektrisk potential,
• anvende grundlæggende formler der beskriver vekselvirkningerne mellem elektriske ladninger og kraften fra magnetiske felter på elektriske ladninger og strømme,
• redegøre for Coulombs og Gauss’ lov og forklare lovenes anvendelse til bestemmelse af elektriske og magnetiske felter,
• redegøre for Ampéres lov og Biot-Savarts lov og forklare lovenes anvendelse til bestemmelse af magnetiske felter, 
• redegøre for Faradays lov og forklare lovens anvendelse til bestemmelse af inducerede elektriske felter ved tilstedeværelsen af varierende magnetiske felter,
• redegøre for materialers vekselvirkning med elektriske og magnetiske felter gennem polarisation, konduktion og magnetisering bestemt af materialeegenskaberne hhv. permitivitet, ledningsevne og permeabilitet,
• redegøre for grænsebetingelserne for elektriske og magnetiske felter,
• definere og redegøre for begreberne resistans og kapacitans samt selvinduktans og gensidig induktans, 
• forklare opbygningen af magnetiske kredsløb og deres analogi til elektriske kredsløb samt redegøre for forskellige kredsløbsmodeller, som baserer sig på de indgående materialers lineære eller ulineære permeabilitet, 
• forklare opbygningen og funktionen af en én-faset transformer,
• fortolke Maxwells ligninger som grundlag for elektromagnetiske bølger,
• beskrive interferensfænomener mellem harmoniske bølger i en og to rumlige dimensioner,
• matematisk beskrive grundlæggende diffraktionsfænomener.

Færdigheder

• anvende Coulombs lov og Gauss’ lov for elektriske felter til at beregne elektrostatiske kræfter, felter og potentialer for forskellige ladningsfordelinger,
• anvende Gauss’ lov for magnetiske felter samt Biot-Savarts lov og Ampéres lov til at beregne magnetiske felter for forskellige strømfordelinger,
• anvende Faradays lov til at beregne inducerede elektromotoriske kræfter og inducerede elektriske felter ved tilstedeværelsen af varierende magnetiske felter. 
• benytte viden om det elektriske felts opførsel i og omkring ledere og dielektrika, og de tilsvarende grænsebetingelser til at udregne kapacitans i simple konfigurationer bestående af elektriske ledere og dielektrika. 
• benytte viden om det magnetiske felts opførsel i og omkring ledere og de tilsvarende grænsebetingelser til at udregne selvinduktans og gensidig induktans i simple konfigurationer af ledere og magnetiske materialer. 
• opstille kredsløbsmodeller for magnetiske kredsløb, herunder én-faset transformere, 
• forklare hvordan et optisk mikroskop virker og skitsere afbildnings- og belysningsstrålegangen,
• udføre en matematisk beskrivelse af basale diffraktionsfænomener og forklare de fundamentale begrænsninger disse sætter på opløsningen af optiske instrumenter.
• udføre eksperimenter i elektromagnetisme og optik.

Kompetencer

• analysere forskellige fænomener med elektriske og magnetiske felter og deres effekt på ladede partikler,
• analysere eksperimentelle opstillinger vist i kursuslærebogen,
• benytte beregninger, metoder og teknikker inden for elektromagnetisme i praktiske anvendelser i forbindelse med generering eller detektering af elektriske og magnetiske felter, 
• vurdere forskellige dielektriske og magnetiske materialers indflydelse på elektriske og magnetiske feltfordelinger, 
• dimensionere og analysere magnetiske kredsløb, herunder én-fasede transformere, 
• anvende geometrisk optik, analysere strålegangen i optiske systemer med op til to komponenter,
• planlægge og udføre eksperimenter i elektromagnetisme og optik,
• udfærdige fyldestgørende rapporter over de foretagne eksperimenter, herunder diskussion af resultaterne.

Kurset indeholder følgende faglige hovedområder:

• Elektrisk ladning og elektriske felter. Coulombs lov og Gauss’ lov for elektriske felter.
• Elektrisk potentiel energi og det elektriske potential.
• Elektriske materialeegenskaber. Permitivitet, konduktans og forskydningsfelt.
• Kapacitans.
• Magnetiske felter og det magnetiske felt fra en strøm. Ampéres lov og Bio-Savarts lov.
• Lorentzkraften på en elektrisk leder.
• Faradays induktionslov.
• Induktans.
• Magnetiske egenskaber af materialer, magnetisering, permeabilitet, magnetisk feltstyrke (H-felt) og hysteresekurve
• Transformere og magnetiske kredsløb
• Maxwell ligningerne på integral og differentiel form
• Elektromagnetiske bølger
• Lysbølger (Huygens princip: brydning og reflektion)
• Spejle og linser (optiske instrumenter, øjet, teleskopet og mikroskopet)
• Interferens fænomener
• Diffraktion (diffraktion og opløsningsevne)
• Laboratorieøvelser inden for elektromagnetisme og optik

På naturvidenskab er undervisningen tilrettelagt efter trefasemodellen dvs. intro, trænings- og studiefasen.

• Introfase (forelæsning) - Antal timer: 48
  
• træningsfase: Antal timer: 48, heraf 30 timer eksaminatorier og 18 timer laboratorie

Introfasen består af forelæsninger hvor kursets centrale emner indtroduces. Stoffet trænes derefter ved opgaveregning i eksaminatorietimer og ved øvelser i laboratorie. 

Aktiviteter i studiefasen 

• Studie af lærebog
  
• Løsning af opgaver
• Forberedelse til laboratorieøvelser og efterfølgende udfærdigelse af rapporter