Fizyka 2 - Fizyczne podstawy elektroniki i teleinformatyki

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

FIZ2

1

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zjawiskami i teoriami fizycznymi, ważnymi dla technologii telekomunikacji, elektroniki i cyberbezpieczeństwa.

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zjawiskami i teoriami fizycznymi, ważnymi dla technologii telekomunikacji, elektroniki i cyberbezpieczeństwa.

Treść wykładu

1. Operatory polowe (3 godz.)
   Pola skalarne i wektorowe. Operator dywergencji rotacji i gra-dientu. Strumień pola. Całki objętościowe i powierzchniowe. Całka wzdłuż krzywej. Cyrkulacja. Twierdzenie Gaussa i Stokesa. Potencjał skalarny i wektorowy.
2. Pola elektrostatyczne (3 godz.)
   Natężenie pola, ładunek elektryczny, dipol, zasada zacho-wania ładunku. Potencjał skalarny pola elektrostatycznego. Kondensator. Metoda obrazów. Energia pola elektrostatycznego. Prawo Gaussa i Coulomba. Zjawisko indukcji elektrycznej, polaryzacja dielektryczna ośrodka, łądunek statyczny. Sprzężenie pojem-nościowe. Szeregowe i równoległe połączenie kondensatorów. Działanie pola eletrycznego na dielektryki i izolowane przewodniki.
3. Magnetyzm (4 godz.)
   Pole magnetyczne, moment magnetyczny, indukcja pola magnetycznego. Siła elektrodynamiczna, siła Lorentza, prawo Ampere'a, prawo Biota - Savarta. Materiały magnetyczne. Domeny magnetyczne, przemagnesowanie paramagnetyka. Ferromagnetyk jako przykład układu bistabilnego. Zdolność układów bistabilnych do przechowywania informacji. Pętla histerezy. Temperatura Curie. Szumy Barkhausena.
4. Indukcja pola elektromagnetycznego (2 godz.)
   Prawo indukcji Faradaya, energia zwojnicy z prądem, prądnica. Samoindukcja, indukcyjność cewki. Sprzężenie indukcyjne obwo-dów elektrycznych, przesłuch, przewód koncentryczny i skrętka: sposób na zamknięcie pola magnetycznego doświadczenie Hertza, pętla z prądem, ulot elektromagnetyczny. Oddziaływanie pola magnetycznego z materią.
5. Prąd elektryczny (2 godz.)
   Prawa Ohma i Kirchoffa, praca prądu, ciepło Joule'a, obwody elektryczne, prąd stały i zmienny, drgania w obwodach elektrycznych, układ RLC, rezonans. Pole powierzchni oczka prądu jako źródło zakłóceń. Obwód elektroniczny jako antena. Ekranowanie. TEMPEST. Przewodnictwo jonowe w szkłach i roztworach. Ciekłe kryształy.
6. Prawa Maxwella (4 godz.)
   Fale elektromagnetyczne: równanie falowe, fala płaska i kulista, polaryzacja fali, fala w próżni i w falowodzie, potencjał wektorowy, drgający dipol, polaryzacja dielektryczna ośrodka, fala na granicy ośrodków na przykładzie fal optycznych, oddziaływanie światła z materią. Optyka geometryczna, falowa i spektroskopia jako kolejne przybliżenia do opisu światła. Spektroskopia w terahercach - narzędzie bezpieczeństwa. Siatka dyfrakcyjna. Elementy fizyki laserów i światłowodów. Źródła jedno i dwufotonowe. Światłowód jako miernik, efekt Kerra i Faradaya. Podsłuchiwanie światłowodu. Spektrum absorpcji mikrofal i 5G. Interferometr Michaelsona-Morleya, podsłuchiwanie dźwięków za pomocą lasera. Pasywna detekcja osób na podstawie zmian widma fal WiFi.
7. Elementy fizyki atomu (2 godz.)
   Dualizm korpuskularno-falowy. Fotony jako cząstki przenoszące oddziaływania fal elektromagnetycznych. Elektron jako fala. Efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, model Bohra. Promieniowanie, katastrofa w podczerwieni. Ciało doskonale czarne. Promieniowanie X, widmo charakterystyczne, prawo Bragga. Kryształ jako siatka dyfrakcyjna promieniowania X. Analiza rentgenowska układów scalonych i ich uszkodzeń.
8. Wstęp do mechaniki kwantowej (4 godz.)
   Postulaty. Funkcja falowa. Przestrzeń Hilberta. Operatory liniowe, teoria pomiaru kwantowego. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. Pomiar kwantowy modyfikuje stan układu mierzonego. Komutatory. Metody matematyczne dla przestrzeni funkcyjnych: iloczyn skalarny, wartości i wektory własne, funkcje bazowe, bazy ortogonalne i ortonormalne. Transformata Fouriera jako rozkład na funkcje własne operatora różniczkowania. Bezpieczeństwo przekazu gwarantowane prawami fizyki.
9. Równanie Schroedingera i jego rozwiązanie dla studni potencjału (2 godz.)
   Heterostruktury półprzewodnikowe i kropki kwantowe jako detektory. Model Kronniga-Penneya i wprowadzenie teorii pasmowej. Atom wodoru, pojęcie spinu, qbitu, koherencji, splątania.
10. Fizyka statystyczna (8 godz.)
    Pojęcie entropii, temperatury, zespołu statystycznego, klasyczne i kwantowe rozkłady statystyczne. Poziom Fermiego w półprzewodnikach. Temperatura degeneracji. Kondensat Bosego-Einsteina. Przejścia fazowe. Po czym poznać zbliżanie się przejścia fazowego w badanym układzie. Zależność zjawisk fizycznych od temperatury. Sprzętowe generatory liczb losowych i ataki termiczne. Miary złożoności trajektorii. Zastosowanie fizyki statystycznej do wyliczania ciepła właściwego kryształu. Co lepiej odprowadza ciepło: ciało stałe ciecz czy gaz? Problem zarządzania ciepłem wytwarzanym przez obwody elektryczne.
11. Wstęp do fizyki półprzewodników i optyki ciała stałego (2 godz.)
    Domieszkowanie donorowe, akceptorowe, elektrony i dziury, pojęcie przerwy zabronionej, rozkład Fermiego, dioda półprzewodnikowa - wykorzystanie w elektronice i optoelektronice. Przejścia proste i skośne, półprzewodnik jako detektor oddziaływań. Czujniki: sterowanie pojemnością lub przewodnością za pośrednictwem różnych oddziaływań fizycznych i reakcji chemicznych. Dioda laserowa. Dioda lawinowa.
12. Fizyka układów złożonych (2 godz.)
    Sieci złożone. Metryki sieci. Warunki jednospójności dla grafu, perkolacja, odporność sieci na awarie. Analiza połączeń sieciowych jako narzędzie CTI/informatyki śledczej. Analiza przypadku: połączenia między terrorystami 9/11, analiza dynamiki kont Twitterowych IRA. Sieć teleinformatyczna i sieć energetyczna jako sieci dualne. Analiza przypadku: blackout we Włoszech 2003.

Literatura:

1. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, "Podstawy Fizyki", OW PW, Warszawa 1997 i wyd. następne.

Literatura uzupełniająca (opcjonalna):

1. J. Orear, "Fizyka, t.1, 2", WNT, Warszawa 2005.
2. R. Bacewicz, "Optyka ciała stałego", OWPW.

Inne:

Pakiety matematyczne oraz prezentacje internetowe (m.in. www.falstad.com) do realizacji zadań zarówno teoretycznych jak i praktycznych w ramach wykładów, ćwiczeń i zajęć projektowych.

Sprawdzanie założonych efektów kształcenia realizowane jest przez:

• ocenę wiedzy i umiejętności związanych z rozwiązywaniem problemów podczas ćwiczeń audytoryjnych – ocenę poprawności rozwiązań,
• ocenę wiedzy i umiejętności wykazanych na kolokwium pisemnym,
• ocenę wiedzy i umiejętności wykazanych na egzaminie ustnym.

105000 - Wydział Fizyki

105000 - Wydział Fizyki

105000 - Wydział Fizyki

105000 - Wydział Fizyki