SiMR studia magisterskie FIZYKA 4 semestr letni 2014/2015
Na kolokwium można się posługiwać własnoręcznie sporządzoną notatką na kartce A4 zapisanej po obu stronach. Wszelkie wzory, stałe
fizyczne i inne informacje mogą być zapisane pismem odręcznym. Notatka musi być podpisana na środku kartki przez właściciela + wolne
pole na podpis wykładowcy. Notatkę należy przedstawić do akceptacji przy wpisywaniu się na listę podczas kolokwium. Wszelkie inne
pomoce i ściągi, materiały drukowane lub powielane są niedozwolone, jak również korzystanie z telefonów, tabletów, komputerów i innych
urządzeń mobilnych.
Zagadnienia objęte kolokwium 2:
1. Absorpcja oraz emisja spontaniczna i wymuszona promieniowania elektromagnetycznego, współczynniki Einsteina.
2. Równowaga termodynamiczna atomów i promieniowania, związki między współczynnikami absorpcji i emisji.
3. Zasada działania lasera: inwersja obsadzeń, wzbudzanie atomów, rezonator optyczny. Bilans strat energii w rezonatorze i
wzmocnienia światła podczas akcji laserowej.
4. Pompowanie optyczne, laser trójpoziomowy i czteropoziomowy, impulsowa akcja laserowa. Laser neodymowy.
5. Interferencja fal, interferometry, spójność światła czasowa i przestrzenna, stopień spójności.
6. Laser helowo-neonowy, układ poziomów energetycznych. Laser na CO2, inne rodzaje laserów.
7. Właściwości światła laserowego. Zastosowania laserów, obróbka materiałów, zapis i odczyt danych, interferometria,
holografia.
8. Rozkład Maxwella prędkości i energii kinetycznej cząstek gazu, prędkość średnia, średnia kwadratowa prędkości.
9. Liczba mikrostanów odpowiadająca makrostanowi, entropia, rozkład mikrokanoniczny.
10. Warunki statystyczne stanu równowagi termodynamicznej. Definicje: temperatury, ciśnienia, potencjału chemicznego.
11. Rozkład kanoniczny (Boltzmanna) obsadzenia stanów w zależności od energii, suma statystyczna.
12. Rozkład wielki kanoniczny. Obsadzanie stanów przez cząstki nierozróżnialne - rozkłady Fermiego-Diraca i Bosego-
Einsteina.
13. Właściwości rozkładu Fermiego-Diraca, kształt funkcji rozkładu w zależności od temperatury.
14. Kondensacja Bosego-Einsteina. Nadciekły hel. Kondensacja atomów schłodzonych w pułapce magnetycznej.
15. Elektrony swobodne w metalu  funkcje falowe, dozwolone wartości wektora falowego, gęstość stanów w funkcji energii.
16. Gaz elektronów w temperaturze T=0 K, energia Fermiego, wyznaczenie EF dla typowej koncentracji elektronów w metalu,
temperatura Fermiego, prędkość Fermiego.
17. Rozkład energii elektronów w temperaturze T>0 K, wzbudzenia w pobliżu energii Fermiego, wkład elektronów do ciepła
właściwego metalu.
18. Przewodność elektryczna metali, średnia droga swobodna elektronu, prędkość dryfu, ruchliwość, rozpraszanie na
drganiach atomów i defektach kryształu, zależność oporu elektrycznego od temperatury. Przewodzenie ciepła przez metale.
19. Ruch nośników ładunku w polu elektrycznym i magnetycznym - efekt Halla, wyznaczanie koncentracji i znaku nośników.
20. Powstawanie pasm energetycznych z atomowych poziomów energetycznych. Klasyfikacja ciał stałych ze względu na
elektronową strukturę pasmową - obsadzenie pasm w metalach i izolatorach.
21. Tworzenie się przerw energetycznych na skutek oddziaływania prawie swobodnych elektronów z atomami w krysztale.
Zależność energii w paśmie od wektora falowego k. Masa efektywna elektronu.
22. Elektrony w paśmie niemal całkowicie zapełnionym - opis przenoszenia ładunku przez dziury, ładunek i masa efektywna
dziury.
22. Półprzewodniki, struktura pasmowa, przerwa energetyczna, przykłady: krzem i german. Otrzymywanie kryształów metodą
Czochralskiego.
23. Koncentracja elektronów i dziur w półprzewodniku samoistnym w zależności od temperatury.
24. Domieszkowanie półprzewodników, energia jonizacji domieszki  model atomu wodoru, poziomy donorowe i
akceptorowe, półprzewodniku typu p i n.
25. Koncentracja nośników ładunku w półprzewodniku domieszkowanym w zależności od temperatury, zakresy wymrażania
nośników, nasycenia i samoistny.
26. Przewodność elektryczna półprzewodników, zależność ruchliwości nośników od temperatury.
27. Złącze p-n w stanie równowagi, przesunięcie pasm  potencjał kontaktowy, warstwa zubożona, pojemność elektryczna
złącza.
28. Złącze p-n z przyłożonym napięciem, zmiana szerokości warstwy zubożonej, charakterystyka prądowo-napięciowa. Diody
prostownicze. Przebicie złącza p-n: tunelowe (dioda Zenera) i lawinowe.
29. Fotodiody i ogniwa słoneczne. Charakterystyka ciemna i jasna, prąd zwarcia, napięcie otwartego obwodu.
30. Wydajność przetwarzania energii przez ogniwa słoneczne. Zastosowania ogniw słonecznych.
31. Absorpcja światła w półprzewodnikach. Przerwa energetyczna prosta lub skośna. Rekombinacja promienista i
niepromienista.
32. Dioda świecąca (LED). Związek między szerokością przerwy energetycznej Eg a długością fali światła.
33. Półprzewodniki podwójne (trójskładnikowe) - dobór szerokości przerwy energetycznej Eg.
34. Heterostruktury i heterozłącza półprzewodnikowe i ich zastosowania.
35. Lasery półprzewodnikowe, uzyskiwanie inwersji obsadzeń i prowadzenie światła przy wykorzystaniu heterostruktury.
36. Struktury MIS i MOS. Tranzystor polowy, układy scalone, przetworniki do detekcji światła  matryce CCD.
37. Bieg promienia w światłowodzie, apertura numeryczna, tłumienie sygnału. Światłowody jedno- i wielomodowe,
fotoniczne.
38. Elektrolity  ładunek przenoszony przez jony w cieczach i ciałach stałych.
39. Transport jonów w ciałach stałych, rola defektów punktowych. Zależność przewodności jonowej od temperatury.
40. Jodek srebra jako przykład przewodnika superjonowego.
41. Fluorek ołowiu  struktura fluorytu. Przewodniki jonów tlenu: ZrO2-Y2O3, Bi2O3 i jego pochodne.
42. Zastosowania przewodników jonowych: ogniwo litowo-jonowe, ogniwa paliwowe, czujniki stężenia tlenu.
43. Reakcje utleniania i redukcji na elektrodach, anoda i katoda w ogniwie elektrochemicznym. Potencjały standardowe
reakcji  szereg elektrochemiczny.
44. Elektrochemiczne z
ródła energii: akumulator ołowiowy, baterie litowo-jonowe, superkondensatory.
45. Rodzaje ogniw paliwowych, ich konstrukcja i obszar zastosowania.
46. Sprawność ogniwa paliwowego, zależność napięcia ogniwa od temperatury.
47. Porównanie z
ródeł zasilania pod względem gęstości energii i gęstości mocy.
Podręczniki:
1. P.A. Tipler, R.A. Llewellyn. Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 2011.
2. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Podstawy fizyki, PWN 2003, tom 5.
3. W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok: Podstawy fizyki, Oficyna Wydawnicza PW 1997.
4. Jay Orear: Fizyka, WNT 1994, tom 2.
5. M. Karpierz, Podstawy fotoniki, CSZ PW 2010.
6. A. Czerwiński, Akumulatory, baterie, ogniwa, WKA
2005.
Przykładowe pytania i zadania do wykładów 7-12 na stronie internetowej w zestawach Z8, Z9, Z10, Z11, Z12.
Obowiązują również pytania zawarte w prezentacjach studentów oraz przykładowe pytania do wykładu 13.
Pytania do wykładu 13:
1. Podaj przykład dobrego przewodnika jonowego. Jakie cząstki są nośnikami ładunku w tym ciele stałym?
2. Jak ze wzrostem temperatury zmienia się przewodność elektryczna ciała stałego:
a) półprzewodnika, b) przewodnika jonowego, c) metalu?
3. Jakie cechy ogniwa litowo-jonowego sprawiają, że służy do zasilania urządzeń przenośnych ?
4. W jaki sposób ładunek elektryczny jest magazynowany w kondensatorach i w superkondensatorach?
5. Porównaj tlenkowe ogniwo paliwowe SOFC i ogniwo paliwowe z membraną przewodzącą protony PEMFC.
6. Porównaj gęstość energii i gęstość mocy elektrochemicznych z
ródeł energii i silników spalinowych.