Skozi grede > Ropotarnica

Visokošolske enačbe

Kompleksna števila – Vektorji in matrike – Večkratne funkcije – Krivulje in ploskve – Prostorska polja – Statistika – Dinamika – Relativnost – Termodinamika – Statična E & M polja – Elektromagnetni valovi – Elektroni in ioni – Kvantni delci – Valovna mehanika – Molekule, kristali, plini – Atomska jedra – Zvezde in vesolje

Kompleksna števila

Fazorji

û = (u1, u2) = (u cos φ, u sin φ)
u = √(u12 + u22) = |û|
φ = atan

u2

u1

= Arg (û)
Re (û) = u1
Im (û) = u2

Računska pravila

cû = (cu1, cu2)
û + v̂ = (u1 + v1, u2 + v2)
û v̂ = uv (cos (α + β), sin (α + β))
û / v̂ = (u / v) (cos (α − β), sin (α − β))
ûv̂ = (u1v1 − u2v2, u1v2 + u2v1)
û / v̂ = (u1v1 + u2v2, u2v1 − u1v2)

Imaginarna enota

û = u1 · (1, 0) + u2 · (0,1)
û = u1 + iu2
i = (0, 1)
i · i = i2 = −1

Konjugirani fazorji

û* = u1 − iu2
|û|2 = ûû*

Potenca in eksponencial

ûn = û · û … û
ûn = un (cos nφ +i sin nφ)
ûs = us (cos sφ + i sin sφ)
eiφ = cos φ + i sin φ
eû = eu1 + iu2 = eu1 eiu2 = eu1 (cos u2 + i sin u2)

Kompleksne kotne funkcije

cos φ =

eiφ + e−iφ

2

sin φ =

eiφ − e−iφ

2i

cos û =

eiû + e−iû

2

sin û =

eiû − e−iû

2i

Kompleksne funkcije skalarja

û(t) = u1(t) + iu2(t)

Diferencial in integral

dû

dt

=

du1

dt

+ i

du2

dt

∫ û dt = ∫u1 dt + i ∫ u2 dt

Harmonične vrste

f(t) = a0 +

∞

∑

n=1

(ancos nωt + bnsin nωt)
a0 =

1

T

T

∫

0

f(t) dt
an =

2

T

T

∫

0

f(t) cos nωt dt,    n = 1, 2, 3 …
bn =

2

T

T

∫

0

f(t) sin nωt dt,    n = 1, 2, 3 …

1

T

T

∫

0

f(t)2 dt = a02 +

1

2

∞

∑

n = 1

(an2 + bn2)

Kompleksne harmonične vrste

f(t) = Re

∞

∑

n=−∞

Ân einωt
Ân =

1

T

T

∫

0

f(t) e−inωt dt,    n = 0, ± 1, ±2 …

1

T

T

∫

0

f(t)2 dt =

∞

∑

n = −∞

|Ân|2

Harmonični integrali

f(t) = Re

∞

∫

−∞

Â(ω) eiωt dω
Â(ω) =

1

2π

∞

∫

−∞

f(t) e−iωt dt

1

2π

∞

∫

−∞

f(t)2 dt =

∞

∫

−∞

|Â(ω)|2 dω

Vektorji in matrike

Vektor premika

r = (x, y, z)
r2 = x2 + y2 + z2

Zasuk koordinatnega sistema okoli osi z

x' = +x cos φ + y sin φ
y' = −x sin φ + y cos φ
z' = z

x'2 + y'2 + z'2 = x2 + y2 + z2

Razteg in vsota

λu = (λu1, λu2, λu3)
u + v = (u1 + v1, u2 + v2, u3 + v3)

Enotni vektorji

e1 = (1, 0, 0)
e2 = (0, 1, 0)
e3 = (0, 0, 1)
u = u1e1 + u2e2 + u3e3 = ∑ uiei

Skalarni produkt

u · v = uv cos φ
u · v = u1v1 + u2v2 + u3v3
u · u = u12 + u22 + u32 = u2

Vektorski produkt

u × v = uv sin φ · n
u × v = (u2v3 − u3v2, u3v1 − u1v3, u1v2 − u2v1)

Sorazmernost vektorjev

u1 = A11x1 + A12x2 + A13x3
u2 = A21x1 + A22x2 + A23x3
u3 = A31x1 + A32x2 + A33x3

ui = ∑j Aijxj

Sorazmernostna matrika

u1

u2

u3

=

A11

A21

A31

A12

A22

A32

A13

A23

A33

·

x1

x2

x3

u = A · x

Posebne matrike

I =

1

0

0

0

1

0

0

0

1

D =

λ1

0

0

0

λ2

0

0

0

λ3

R3 =

cos φ

−sin φ

0

sin φ

cos φ

0

0

0

1

Računske operacije

λA = B ⟺ Bij = λAij
A + B = C ⟺ Cij = Aij + Bij
A · B = C ⟺ Cij = ∑k AikBkj

Inverzna matrika

A · x = u ⟺ x = A−1 · u
A−1 · A = I

[Iij]−1 = diag (1, 1, 1)
[Dij]−1 = diag (1/λ1, 1/λ2, 1/λ3)
[Rij]−1 = [Rji]

Nje izračun

[A | I] → [I | A−1]

Večkratne funkcije

Vektorska funkcija skalarja

u(t) = [u1(t), u2(t), u3(t)]

Diferencial in integral

u' =

 

lim

dt→0

u(t + dt) − u(t)

dt

u' = (u1', u2', u3')
du = u' · dt
du = (du1, du2, du3)

u(t) = u(0) +

u'(0)

1!

t +

u"(0)

2!

t2 + …

u(t0 + h) = u(t0) +

u'(t0)

1!

h +

u"(t0)

2!

h2 + …

u = ∫ u' dt = (∫ u1' dt, ∫ u2' dt , ∫ u3' dt)

Skalarna funkcija več spremenljivk

u = u(x, y)

Parcialni odvodi

ux =

 

lim

dx→0

u(x + dx, y) − u(x, y)

dx

Totalni diferencial

du = (du)x + (du)y = ux dx + uy dy

(du)x

dx

=

∂u

∂x

= ux

Verižna odvajanja

du

dt

=

∂u

∂x

dx

dt

+

∂u

∂y

dy

dt

∂u

∂t

=

∂u

∂x

∂x

∂t

+

∂u

∂y

∂y

∂t

Implicitno odvajanje

F(x,y,u) = 0 ⟹ Fx + Fu

∂u

∂x

= 0

Razvoj v potenčno vrsto

u(x, y) = u(0, 0) +
xux + yuy +

1

2

(x2uxx + 2xyuxy + y2uyy) + …

u(a+h,b+k) = u(a,b) +

1

1!

(h

∂

∂x

+ k

∂

∂y

)u +

1

2!

(h

∂

∂x

+ k

∂

∂y

)2u + …

Ekstremi

u = max ⟺ uxx < 0 in uxxuyy − uxy2 > 0
u = min ⟺ uxx > 0 in uxxuyy − uxy2 > 0

Vezani ekstremi

φ(x, y) = 0
ux + λφx = 0
uy + λφy = 0

Ploščinski integrali

U = ∫ u dS
U = ∫∫ u dx dy =

d

∫

c

dy

b

∫

a

u dx =

b

∫

a

dx

d

∫

c

u dy
U = ∫∫ uρ dρ dφ

Prostorninski integrali

U = ∫ u dV.
U = ∫∫∫ u dx dy dz
U = ∫∫∫ u ρ dρ dφ dz
U = ∫∫∫ u r2 sin θ dr dφ dθ

Krivulje in ploskve

Razdalja med točkama

s2 = (x2 − x1)2 + (y2 − y1)2 + (z2 − z1)2

Premica

y = kx

x = At
y = Bt

Krožnica

x2 + y2 = r2

x = r cos t
y = r sin t

Elipsa

x2

a2

+

y2

b2

= 1

x = a cos t
y = b sin t

Hiperbola

x2

a2

−

y2

b2

= 1

x = a / cos t
y = b tan t

Parabola

2py = x2

x = At
y = Bt2

Vektorski opis krivulje

r(t) = (x(t), y(t))

dy

dx

=

y'

x'

d2y

dx2

=

x'y" − y'x"

x'3

Dolžina krivulje

ds = |dr| = |r'| dt = √(x'2 + y'2) dt
s = ∫ √(x'2 + y'2) dt

Tangenta

τ =

dr

ds

τ =

(x', y')

√(x'2 + y'2)

Ukrivljenost

K = |

dτ

ds

|
K =

x'y" − y'x"

(x'2 + y'2)3/2

K =

1

R

Ravnina

z = k1x + k2y

Krogla

x2 + y2 = r2

x = R sin θ cos φ
y = R sin θ sin φ
z = R cos θ

Vektorski opis ploskve

r(u, v) = (x(u,v), y(u,v), z(u,v))

Dolžina krivulje na ploskvi

ds2 = ru2du2 + 2rurvdudv + rv2dv2 =
g11du2 + 2g12dudv + g22dv2

g11 = xu2 + yu2 + zu2
g12 = xuxv + yuyv + zuzv
g22 = xv2 + yv2 + zv2

s = ∫ √(g11u'2 + 2g12u'v' + g22v'2)dt

Ploščina ploskve

dS = dus dvs sin α = √(g11g22 − g122)dudv
S = ∫ √(g11g22 − g122) dudv
S = ∫ √(1 + zx2 + zy2) dxdy

Normala

n =

ru × rv

|ru × rv |

=

ru × rv

√(g11g22 − g122)

n =

(−zx, −zy, 1)

√(1 + zx2 + zy2)

Lok na krogli

cos α = cos θ1 cos θ2 + sin θ1 sin θ2 cos (φ2 − φ1)

Hipotenuzni izrek

cos d = cos a cos h

Kosinusni izrek

cos a = cos b cos c + sin b sin c cos A

Sinusni izrek

sin A

sin a

=

sin B

sin b

=

sin C

sin c

Prostorska polja

Skalarno in vektorsko polje

U = U(x, y, z)
v = (vx(x, y, z), vy(x, y, z), vz(x, y, z))

Gradient polja

grad U = n ·

dU

ds

grad U = (

∂U

∂x

,

∂U

∂y

,

∂U

∂z

) = (

∂

∂x

,

∂

∂y

,

∂

∂z

)U = ∇U
dU = ∇U · dr = (dr · ∇)U
U2 − U1 = ∫ ∇U ds

Pretok in divergenca

Φ = ∫ v · n dS
∫ v · n dS = ∫ vx dy dz + ∫ vy dz dx + ∫ vz dx dy
div v =

 

lim

V →0

1

V

∮ v · n dS
div v =

∂vx

∂x

+

∂vy

∂y

+

∂vz

∂z

= ∇ · v
∮ v · n dS = ∫ ∇ · v dV

Cirkulacija in rotor

Γ = ∮ v ds
∮ v ds = ∮ vx dx + ∮ vy dy + ∮ vz dz
rot v = n ·

 

lim

S →0

1

S

∮ v ds
rot v= (

∂vz

∂y

−

∂vy

∂z

,

∂vx

∂z

−

∂vz

∂x

,

∂vy

∂x

−

∂vx

∂y

) = ∇ × v
∮ v ds = ∫ (∇ × v) · n dS

Operacije drugega reda

∇ · (∇U) = ∇2U =

∂2U

∂x2

+

∂2U

∂y2

+

∂2U

∂z2

∇ × (∇U) = 0
∇ · (∇ × v) = 0
∇ × (∇ × v) = ∇(∇ · v) − ∇2v

Statistika

Število permutacij

Pn = n!

Število variacij

Vnr =

n!

(n − r)!

Število kombinacij

Cnr =

n!

r! (n − r)!

Verjetnost izidov

Pk =

lim

N → ∞

Nk

N

∑ Pk = 1

Gostota verjetnosti

dP

dx

=

lim

N → ∞

dN(x ± dx/2)

N

= p(x)

∫ dP = ∫ p(x) dx = 1

Verjetnost izida A ali B

P(A ∪ B) = P(A) + P(B)

Verjetnost izida A in B

P(A ∩ B) = P(A) · P(B)

Binomska porazdelitev

P(n) =

N!

n!(N − n)!

pn (1 − p)N − n = BN,p(n)

Normalna porazdelitev

dP

dx

=

1

σ√2π

· e−(x − μ)2/2σ2 = Gμ,σ(x)

Prehod na novo spremenljivko

dP

dz

=

dP

dx

dx

dz

Povprečje

⟨x⟩ = ∫ x p(x) dx

Varianca

σx2 = ∫ (x − ⟨x⟩)2 p(x) dx
σx2 = ∫ x2 p(x) dx − (∫ x p(x) dx)2 = ⟨x2⟩ − ⟨x⟩2

Porazdelitev po več spremenljivkah

d2P

dx dy

=

lim

N → ∞

dN(x ± dx/2, y ± dy/2)

N

= p(x, y)

Kumulativna verjetnost

dP

dx

= ∫ p(x, y) dy = u(x)

Neodvisni spremenljivki

p(x, y) = u(x) v(y)

Povprečje in varianca

⟨x⟩ = ∫ x p(x, y) dx dy
σx2 = ∫ (x − ⟨x⟩)2 p(x, y) dx dy

Kovarianca

σxy = ∫ (x − ⟨x⟩)(y − ⟨y⟩) p(x,y) dx dy

Korelacijski koeficient

r =

σxy

σxσy

Povprečje povprečij

⟨x̄⟩ = ⟨x⟩

Varianca povprečij

σx̄2 =

σx2

N

Ocena natančnosti meritev

⟨x⟩ ≈ x̄ ±

sx

√N

Širjenje napak

u = cx ⟹ du = |c| dx
u = x ± y ⟹ du = dx + dy
u = xy ⟹

du

|u|

=

dx

|x|

+

dy

|y|

u =

x

y

⟹

du

|u|

=

dx

|x|

+

dy

|y|

u = xn ⟹

du

|u|

= |n|

dx

|x|

u = u(x) ⟹ du = |u'| dx
u = u(x, y) ⟹ du2 = (ux dx)2 + (uy dy)2

Dinamika

Lega

r = (x, y, z)

Premik

dr = ds = (dx, dy, dz)

Hitrost

v =

ds

dt

= (vx, vy, vz)

Pospešek

a =

dv

dt

= (ax, ay, az)

Kotni zasuk

dφ = er ×

ds

r

Kotna hitrost

ω =

dφ

dt

Kotni pospešek

α =

dω

dt

Dolžinske in kotne povezave

v = ω × r
at = α × r
ar = −ω2r
a2 = at2 + ar2

Gibalni zakon za delec

F = m

dv

dt

= m

d2r

dt2

Izrek o kinetični energiji

∫ F · ds =

mv22

2

−

mv12

2

Gibalni zakon za sistem delcev

F = m

d2r*

dt2

Lega težišča

r* =

1

m

∑ mi ri

Hitrost težišča

v* =

dr*

dt

Gibalna količina sistema

G = ∑ mi vi = mv*

Izrek o gibalni količini

∫ F dt = ΔG

Sila curka

F = Φmv

Raketna enačba

v − v0 = u ln

m0

m

Vrtilna količina

L = ∑ ri × mivi

Izrek o vrtilni količini

∫ M dt = Δ L

L = r* × mv* + L*

Kinetična energija

K = ∑

1

2

mivi2

Izrek o kinetični energiji

Aext + Aint = ΔK

K =

1

2

mv*2 + K*

Vrtenje togega sistema

L = Jω
J = ∑ mi ri2

M =

dJω

dt

= J

dω

dt

K =

1

2

J ω2

J = J* + mr*2
L = L* + mr*2ω
K = K* +

1

2

mr*2ω2

Težno nihanje telesa

ω02 =

mgl

ml2 + J*

Sučno nihanje telesa

ω02 =

D

J*

Prosto nihanje

u" + ω02 u = 0

u = c1 cos ω0t + c2 sin ω0t

Vzbujeno nihanje

u" + ω02 u = A cos (ωt + δ)

u = u0 cos (ωt + δ)
u0 =

A

√(ω02 − ω2)

Vzbujeno nihanje z dušenjem

u" + γu' + ω0u = A cos (ωt + δ)

u = u0 cos (ωt + δ + θ)

u0 =

A

√[(ω2 − ω02)2 + γ2 ω2]

tan θ =

−γω

ω02 − ω2

Dušeno nihanje

u" + γu' + ω02u = 0

u = u0 e−γt/2 cos (ωt + δ)
ω = √(ω02 − γ2), γ < ω0

Gravitacijsko polje

Fg = mg

Polje okrog masne točke

gP = −κ

mQ

rPQ2

nPQ,    κ = 6,7 · 10−11 Nm2/kg2

Superpozicija polj

gP = −

 

∑

Q

κ

mQ

rPQ2

nPQ

Gravitacijska energija

W − W0 = − ∫ mg · ds

Gravitacijski potencial

ϕ − ϕ0 = − ∫ g · ds

Potencial masne točke

ϕP = − κ

mQ

rQP

Superpozicija potencialov

ϕP = −

 

∑

Q

κ

mQ

rQP

Gibanje planeta

L = mr2φ'

E =

m

2

(r'2 + r2φ'2) −

α

r

r =

p

1 + ε cos φ

p =

L2

mα

ε2 = 1 +

2EL2

mα2

T2

a3

=

4π2

κM

Relativnost

Stalnost svetl. hitrosti

c' = c

Relativistični faktor

γ =

1

√(1 − u2/c2)

Transformacija koordinat

t' = γ(t − ux / c2)
x' = γ(x − ut)
y' = y
z' = z

Transformacija intervalov

Δ t = tB − tA
Δ x = xB − xA

Δt' = γ(Δt − uΔx/c2)
Δx' = γ(Δx − uΔt)

Podaljšanje časa

Δt = γΔt0

Skrajšanje dolžin

Δl = Δl0 / γ

Transformacija hitrosti

v =

xB − xA

tB − tA

vx' =

vx − u

1 − vxu / c2

vy' =

1

γ

vy

1 − vxu/c2

vz' =

1

γ

vz

1 − vxu/c2

Frekvenčni zamik svetlobe

ν'

ν

=

√(1 − u/c)

√(1 + u/c)

Sprememba valovne dolžine

λ'

λ

=

√(1 + u/c)

√(1 − u/c)

Približek za majhne hitrosti

Δλ

λ

=

u

c

Gibalna količina

G = mγ(v)v

Gibalni zakon

dG

dt

= F

Polna energija

E = γ(v) mc2

Kinetična in masna energija

E = K + mc2
K = (γ(v) − 1)mc2

Energijska invarianta

E2 − (cG)2 = (mc2)2

Transformacija G in E

Gx' = γ(Gx − uE/c2)

E' = γ(E − uGx)

ΔGx' = γ(ΔGx − uΔE/c2)
ΔE' = γ(ΔE − uΔGx)

Gibalna količina svetlobe

G =

E

c

Gostota gibalne količine

g =

G

V

g =

j

c2

Svetlobni tlak

p = gc

p = (1 + R) gc

Termodinamika

Številska gostota molekul

n =

N

V

Plinski zakon

p = nkT,    k =

R*

NA

Kinetični model tlaka

p =

1

3

nm1⟨v2⟩

Kinetični model temperature

⟨

1

2

m1v2⟩ =

3

2

kT

Porazdelitev molekul po višini

dP

dz

= Ae−m1gz / kT,    A =

m1g

kT

Porazdelitev molekul po hitrosti

dP

dvx

= A e−m1vx2/2kT

dP

dv

= A3 4π v2e−m1v2 / 2kT,    A = (

m1

2πkT

)1/2

Porazdelitev molekul po energiji

Pi =

1

Z

e−Ei/kT,    Z = ∑ e−Ei/kT

dP =

1

Z

e−E/kT dE,    Z = ∫ e−E/kTdE

Porazdelitev po faznem prostoru

dP =

1

Z

e−E(r,v)/kT d3rd3v,    Z = ∫ e−E(r,v)/kT d3rd3v

Notranja energija plina

U = N

f

2

kT

Toplotna kapaciteta plina

CV =

U

T

= N

f

2

k

Specifične toplote plina

cV =

CV

Nm1

=

f

2

k

m1

=

f

2

R*

M

cp = cV +

R*

M

= (

f

2

+ 1)

R*

M

κ =

cp

cV

= 1 +

2

f

Kristalna snov

U = 3NkT
cV = 3

R*

M

Izhlapevanje tekočine

nv =

1

V0

e−W / kT

Ionizacija plina

neni

na

=

1

V0

e−W / kT

Prosta pot molekul

⟨l⟩ =

1

π(2r)2n

Difuzivnost

jm = −D

dρ

dx

,    D =

1

3

⟨v⟩⟨l⟩

Toplotna prevodnost

jQ = −λ

dT

dx

,    λ =

1

6

⟨v⟩⟨l⟩nfk

Viskoznost

η =

1

3

⟨v⟩⟨l⟩nm1

Transportni koeficienti

η = ρD = λ/cV

Difuzijska enačba

∂ρ

∂t

= D

∂2ρ

∂x2

Difuzija tanke plasti

ρ(x,t) =

1

σx√(2π)

exp

−x2

2σx2

,    σx2 = 2Dt

Difuzijska enačba toplote

∂T

∂t

= D*

∂2T

∂x2

,    D* =

λ

cpρ

Pijančeva hoja

⟨r2⟩ = 6Dt

Prisilna hitrost

vdrift =

⟨τ⟩

m1

F = μF

Difuzivnost in gibljivost

D = μkT

Difuzija kroglic v tekočini

D =

kT

6πηr

Statična E & M polja

Električna sila in polje

Fe = eE

Polje točkastega naboja

EP = κe

eQ

rQP2

nQP

Superpozicija polj

EP = κe

 

∑

Q

eQ

rQP2

nQP

EP = κe ∫

ρQ dVQ

rQP2

nQP

Pretok in divergenca polja

∮ E · dS = 4π κee =

e

ε0

∇ · E =

ρ

ε0

Cirkulacija in rotor polja

∮ E · ds = 0

∇ × E = 0

Električni potencial

E = −∇U

UB − UA = −

B

∫

A

E · ds

Potencial točkastega naboja

UP =

1

4πε0

eQ

rQP

Superpozicija potencialov

UP =

1

4πε0

 

∑

Q

eQ

rQP

UP =

1

4πε0

∫

ρQ dVQ

rQP

Potencialna enačba

∇2U = −

ρ

ε0

Električni dipol

pe = ed
U =

1

4πε0

pe · er

r2

Navor na dipol

M = pe × E

Sila na dipol

F = (pe · ∇)E

Energija dipola

W = −pe · E

Polarizacija snovi

P =

dpe

dV

= ned

Električna susceptibilnost

P = χe ε0 E

ε = 1 + χe

Magnetna sila in polje

Fm = Il × B

Polje tokov

BP = κm ∮

I dsQ × nQP

r2QP

BP = κm ∮

jQ × nQP

rQP2

dVQ

Pretok in divergenca polja

∮ B · dS = 0

∇ · B = 0

Cirkulacija in rotor polja

∮ B · ds = 4πκmI = μ0I

∇ × B = μ0j

Magnetni potencial

B = ∇ × A

Potencialna enačba

∇2 A = −μ0j

Potencial tokov

AP =

μ0

4π

∫

jQ dVQ

rQP

Magnetni dipol

pm = IS
A =

μ0

4π

pm × er

r2

Navor na dipol

M = pm × B

Sila na dipol

F = ∇ (pm · B) = (pm · ∇)B

Energija dipola

W = −pm · B

Magnetizacija snovi

M =

dpm

dV

= nIS

Magnetna susceptibilnost

M =

χm

μ0

B

1

μ

= 1 − χm

Relativnost gostote nabojev in tokov

ρ' = γ(ρ − ujx/c2)
j'x = γ(jx − uρ)
j'y = jy
j'z = jz

Relativnost polj

E'y = γ(Ey − uBz)
B'z = γ(Bz − uEy/c2)

E'z = γ(Ez + uBy)
B'y = γ(By + uEz/c2)

E'x = Ex

B'x = Bx

Elektromagnetni valovi

Osnovne enačbe polja

∇ · E =

ρ

ε0

∇ · B = 0

∇ × E = −

∂B

∂t

∇ × B = μ0j + μ0ε0

∂E

∂t

Polje brez nabojev in tokov

∇2E − ε0μ0

∂2E

∂t2

= 0

∇2B − ε0μ0

∂2B

∂t2

= 0

c2 =

1

ε0μ0

Ravno valovanje

E = E0 ei(k · r − ωt)
B = B0 ei(k · r − ωt)

E = cB × n

Stojno valovanje

E = E0(r) e−iωt

∇2 E0 = −k2E0
k2 = ω2/c2

Energija valovanja

∂w

∂t

= −∇ · J − j · E
w =

ε0

2

E2 +

1

2μ0

B2
J =

1

μ0

E × B

Energija v ravnem valovanju

⟨w⟩ =

ε0

2

E02 =

1

2μ0

B02

⟨J⟩ = c⟨w⟩

Razklopitev osnovnih enačb

B = ∇ × A

E = −∇U −

∂A

∂t

∇2A −

1

c2

∂2A

∂t2

= −μ0j

∇2U −

1

c2

∂2U

∂t2

= −

ρ

ε0

Njihova rešitev

UP(t) =

1

4πε0

∫

ρQ(t−rQP / c) dVQ

rQP

AP(t) =

μ0

4π

∫

jQ(t−rQP / c) dVQ

rQP

Dipolno sevanje

⟨P⟩ =

p02ω4

12πε0c3

⟨I⟩ =

3

2

⟨P⟩

4π

sin2 θ

Osnovne enačbe v snovi

∇ · εE =

ρfree

ε0

∇ · B = 0
∇ × E = −

∂B

∂t

∇ ×

B

μ

= μ0jfree +

1

c2

∂εE

∂t

Mejni pogoji

B⊥ (1) = B⊥ (2)
ε1E⊥ (1) = ε2E⊥ (2)

E∥ (1) = E∥ (2)
B∥ (1)/μ1 = B∥ (2)/μ2

Valovanje v dielektriku

v =

c

√εμ

n = √εμ

Odbojni količnik

R⊥ = |

n1 cos α − n2 cos α2)

n1 cos α + n2 cos α2

|2

R∥ = |

n2 cos α − n1 cos α2)

n2 cos α + n1 cos α2

|2

R = |

n1 − n2

n1 + n2

|2

Uklon za odprtino

uP ∝ ∫ exp (iks) dS

Mrežica tankih rež

j(α) = j0 [

sin (1/2Nka sin α)

N sin (1/2ka sin α)

]2

Široka reža

j(α) = j0[

sin (ka sin α)

ka sin α

]2

Elektroni in ioni

Sila na elektron

F = e(E + v × B)

Hitrost pospešenega elektrona

1

2

mv2 = eUA

Odklon v električnem polju

θ =

eEl

mv2

Odklon v magnetnem polju

ϕ =

eBs

mv

Brez odklona v prekrižanih poljih

v =

E

B

Relativistični elektroni

θ =

eEl

γmv2

ϕ =

eBs

γmv

Nepolarna molekula

pe = αε0E

Plin nepolarnih molekul

M

ρ

(ε − 1) = NAα

Polarna molekula

⟨pe⟩ =

p02

3kT

E

Plin polarnih molekul

M

ρ

(ε − 1) = NA(α +

p02/ε0

3kT

)

Nemagnetna molekula

pm = βB/μ0

Plin nemagnetnih molekul

M

ρ

(μ − 1) = NAβ

Magnetna molekula

⟨pm⟩ =

p02

3kT

B

Plin magnetnih molekul

M

ρ

(μ − 1) = NA (β +

p02μ0

3kT

)

Elektroni v prevodniku

vdrift =

eEτ

m

j = nevdrift = σE
σ =

ne2τ

m

Prečna napetost

U =

1

ne

IB

d

Elektronski oscilatorji

n − 1 =

e2/m

2ε0(ω02 − ω2)

N

V

n − 1 =

N

V

∑ fk

e2/m

2ε0(ωk2 − ω2)

Kvantni delci

Fotoelektrični pojav

K = hν − W,   h = 6,63 · 10−34 Js

Energija fotona

E = hν

Gibalna količina fotona

G =

E

c

=

hν

c

=

h

λ

Valovna dolžina elektrona

λ =

h

G

=

h

mv

Sipanje alfa na atomskih jedrih

b =

1

2

(

Z1Z2q2

mv2/2

) cot

θ

2

dI/I0

dΩ

=

1

16

N

V

(

Z1Z2q2

mv2/2

)2

l

sin4 θ/2

Energijski nivoji atomov

hν = E2 − E1

Kvantizacija krožnic

2πrn = nλ, n = 1, 2, 3 …

Kvantizacija vrtilne količine

L = mvr = nħ, n = 1, 2, 3 …
ħ = h/2π

Krožnice v atomu vodika

r =

ħ2

mq2

· n2 = rB · n2, n = 1, 2, 3 …

Obodna hitrost v atomu vodika

α =

v

c

=

q2

ħc

= 1/137

Energijski nivoji v atomu vodika

E = −

mq4

2ħ2

1

n2

= ER ·

1

n2

Krožnice ali elipse v atomu vodika

E = −

q2

2r

= −

q2

2a

Velike polosi v atomu vodika

a = rB · n2

Male polosi v atomu vodika

b =

l

n

a

Vrtilne količine elips v atomu vodika

L = lħ,    l = 1, 2, 3 … n

Slojevita zgradba atomov

rn = rB

n2

Z−S

En = ER

(Z − S)2

n2

Notranji elektroni

ν =

3

4

Ry (Z − 1)2

Orbitalni magnetni moment

μ =

e

2m

L

μ =

e

2m

ħl = μBl,    l = 1, 2, 3 … n

Njegova precesija

Ω =

e

2m

B

Njegova smerna kvantizacija

Lz = mlħ
μz = mlμB
ml = −l, −l + 1 … −1, 0, 1 … l − 1, l

Spin in spinski magnetni moment

L = sħ,    s = 1/2
Lz = ms ħ,    ms = −s, +s

μz = 2 ·

e

2m

Lz = ±ħ

Celotni magnetni moment

L = jħ
μ = jμB
Lz = mjħ
μz = mjμB
mj = −j, −j + 1 … j − 1, j

Valovna mehanika

Valovna funkcija delca

Ψ(r,t)

Verjetnost lege

dP

dV

= |Ψ|2

∫ |Ψ|2 dV = 1

Ravni val

Ψ(x, t) = Aei(kx − ωt) = Aei(Gx − Et) / ħ

Valovni paket

Ψ(x) =

1

√(2π)

∫ A(k)eikx dk

Njegov spekter

A(k) =

1

√(2π)

∫ Ψ(x)e−ikx dx

dP

dk

= |A|2

∫ |A|2 dk = 1

Razmazanost paketa

Δx2 = ⟨(x − ⟨x⟩)2⟩ = ⟨x2⟩ − ⟨x⟩2
ΔG2 = ⟨(G − ⟨G⟩)2⟩ = ⟨G2⟩ − ⟨G⟩2

Δx ΔG ≥

ħ

2

Kvantni gibalni zakon

iħ

∂Ψ

∂t

= −

ħ2

2m

∇2Ψ + W(r)Ψ

Tok verjetnosti

∂ρ

∂t

+ ∇ · j = 0
j =

ħ

2mi

(Ψ*∇Ψ − Ψ∇ Ψ*)

Stacionarna stanja

Ψ(r,t) = ψ(r) e−iωt

Kvantna amplitudna enačba

−

ħ2

2m

∇2ψ + [W(r) − E]ψ = 0

Čisto stanje

Ψ(x,t) = ψn(x) e−iEnt / ħ

Mešano stanje

Ψ(x,t) = ∑ cnψn(x) e−iEnt / ħ

∫ ψm*ψn dV = 1, če n = m, sicer 0

∑ |cn|2 = 1

P(En) = |cn|2

Vpad na stopnico

R =

k1 − k2

k1 + k2

T =

2k1

k1 + k2

Delec v potencialni jami

En =

ħ2

2m

(

nπ

D

)2,    n = 1, 2, 3 …

ψn ∝ sin

nπ

D

x

Harmonični oscilator

W =

1

2

kx2 =

1

2

mω2x2

En = ħω(n +

1

2

),   n = 0, 1, 2, 3 …

ψn ∝ Hn(

x

a

) exp (−

x2

2a2

),     a2 =

ħ

mω

ψ0 ∝ exp (−

x2

2a2

)

Vodikov atom

W = −

q2

r

En =

−mq4

2ħ2

1

n2

ψnlm(r,θ,φ) ∝ Rnl(r) Plm(cos θ) Φm(φ)
ψ100 ∝ exp (−

r

rB

)

n = 1, 2, 3 …
l = 0, 1, 2 … n − 1
m = 0, ±1, ±2 … ±l

Vrtilna količina

−iħ(r × ∇)ψ = Lψ

L2 = l(l + 1)ħ2, l = 0, 1, 2, 3, …

Projekcija vrtilne količine

−iħ

∂ψ

∂φ

= Lzψ

Lz = mħ, m = 0, ±1, ±2, … ±l

Večelektronski atom

ψ(x1,y1,z1,x2,y2,z2) = ψ(1,2)

dV = dx1dy1dz1dx2dy2dz2

dP

dV

= |ψ|2

−[

ħ2

2m

∇12 +

ħ2

2m

∇22] ψ + W(1,2)ψ = Eψ

Neodvisni elektroni

W(1,2) = W(1) + W(2)
ψ(1,2) = u(1)v(2)
−

ħ2

2m

∇12 u + W(1)u = E1u
−

ħ2

2m

∇22 v + W(2)v = E2v
E = E1 + E2

Molekule, kristali, plini

Rotacija molekule

E =

ħ2

2J

l(l + 1),   l = 0, 1, 2, 3 …

Nihanje dvoatomne molekule

E = ħω0(n +

1

2

)

Porazdelitev molekul po energiji

Pi =

1

Z

gi e−Ei / kT
Z = ∑ gi e−Ei/kT

Nihanje dvoatomnih molekul

Pn =

1

Z

exp (−

ħω0

kT

n)

Z =

1

1 − exp (−ħω0/kT)

⟨E⟩ =

ħω0

exp (ħω0/kT) − 1

= ħω0 ⟨n⟩

Vrtenje dvoatomnih molekul

Pl =

1

Z

(2l + 1) exp −

(ħ2/2J) l(l+1)

kT

Z ≈

2J

ħ2

kT

Nihanje atomov v kristalu

U = 3NkT

ħω / kT

eħω / kT − 1

cV = 3

k

m1

(

θ

T

)2

eθ / T

(eθ / T − 1)2

θ =

ħω

k

Fermionska porazdelitev

fi =

Ni

gi

=

1

e(Ei − EF)/kT + 1

dn

dE

=

g(E)

exp (E − EF)/kT + 1

= g(E) f(E)

Elektronski plin v kovini

g =

4π(2m)3/2

h3

· √E

EF =

h2

2m

(

3n

8π

)2/3

W =

3

5

N EF

p =

2

3

W

V

=

2

5

NEF

V

1

2

mvF2 = EF

Pogoj za nedegenerirano plazmo

h

√(3mkT)

≪

1

n1/3

Pogoja za nerelativistično plazmo

T ≪

mc2

k

n ≪

√8

3π2

(

mc

ħ

)3

Bozonska porazdelitev

fi =

Ni

gi

=

1

e(Ei − EF)/kT − 1

dN

dE

=

g(E)

exp (E /kT) − 1

= g(E) f(E)

Fotoni v votlini

g(E) =

8πV

(hc)3

E2

dw

dE

=

8π

(hc)3

E3

eE / kT − 1

dw

dν

=

2hν3

c2

1

ehν / kT − 1

dw

dλ

=

2hc2

λ5

1

ehc / λkT − 1

p =

1

3

W

V

p = a T4
a =

8π5k4

15c3h3

Toplotno sevanje

dB

dλ

=

2hc3

λ5

1

ehc / λkT − 1

dj*

dλ

= π

dB

dλ

j* = σT4
σ =

2π5k4

15c2h3

a =

4σ

3c

λmax =

b

T

b =

hc

4.97k

Atomska jedra

Centralni trk delca 1 v mirujoč delec 2

v2'

v1

=

2m1

m1 + m2

Trk delca 1 z jedrom 2

m2

m1

=

sin θ1

sin (θ1 + θ2)

Transmutacija dušika

2α4 + 7N14 → 8O17 + 1p1

Odkritje nevtrona

2α4 + 4Be9 → 6C12 + 0n1

mn = 1,009 u

Vezavna energija jedra

Ebind = [Zmp + (A − Z)mn − m]c2

Vezavna energija nukleona

B =

Ebind

A

Razpad alfa

ZXA → Z−2YA−4 + 2α4

Razpad beta

ZXA → Z+1YA + e− + ν

Razpad gama

ZXA → ZXA + γ

Preostala jedra

N = N0 e−λt

Razpadni čas

τ =

1

λ

Razpolovni čas

T1/2 = τ ln 2

Aktivnost vira

A = −

dN

dt

= A0e−λt

Ravnovesje v verigi razpadov

NA

TA

=

NB

TB

=

NC

TC

Absorpcijski radij jedra za nevtrone

r = r0 A1/3,   r0 = 1,2 fm

Cepitev težkih jeder

n + U235 → X + Y + ∼2,5 n

Zlivanje lahkih jeder

H2 + H3 → He4 + n1

Zvezde in vesolje

Zvezde na glavni veji

P ∝ TE8

R ∝ TE2

P ∝ M4

TE ∝ M1/2

R ∝ M

⟨ρ⟩ ∝

1

M2

Masa sredice oblaka

Mr =

r

∫

0

ρ 4πr2dr

Gravitacijska energija oblaka

EG = − ∫

κ Mr

r

dm ∼ −

κM2

R

Toplotna energija oblaka

ET =

3

2

M

m̄

kT

Sesedna masa oblaka

MJ =

3kT

2κm̄

R

Hidrostatično ravnovesje

dp

dr

= −

κMrρ

r2

Tlak v središču

pc ∼

κM2

R4

Notranja temperatura zvezde

Tc ∝

M

R

Masni in fotonski tlak

prad

pgas

∝ M2

Vezavna energija zvezde

Ebind = −(ET + EG)

Za masni plin

ET = −

EG

2

Ebind = ET

Za fotonski plin

ET = −EG
Ebind = 0

Zlivanje protonov v helij

4p → He4 + 2e+ + 2ν

1H + 1H → 2H + e+ + ν + 0.4 MeV
1H + 2H → 3He + γ + 5.5 MeV
3He + 3He → 4He + 2(1H) + 12.9 MeV

Življenjski čas

t ∝

1

M3

Proizvodnja energije

dP

dr

= ερ4πr2

Difuzijski prenos

dT

dr

=

P

4πr2λ

Konvektivni prenos

dT

dr

=

γ − 1

γ

T

p

dp

dr

Radij bele pritlikavke

R ∝

1

M1/3

Sesedna masa bele pritlikavke

M ∼ (

N

M

)2(

h̄c

κ

)3/2

Nihanje svetilnosti kefeid

M = −a lg (P/dan) − b
a = 2.4
b = 1.7

Beg galaksij

v = H0r

Trajanje od velikega poka

t0 ∼

1

H0

Skalirni faktor vesolja

r = a(t)R

Skalirna enačba

(

a'

a

)2 =

8πκ

3

ρ −

kc2

a2

H =

a'

a

Gostotna enačba

ρ' + 3

a'

a

(ρ +

p

c2

) = 0

Raztegovanje svetlobe

λ ∝ a

Ravno masno dominirano vesolje

a(t) = (

t

t0

)2/3
ρ(t) =

ρ0

a3

Ravno sevalno dominirano vesolje

a(t) = (

t

t0

)1/2
ρ(t) =

ρ0

a4

Kritična gostota vesolja

ρc =

3H2

8πκ

Ohlajanje prasevanja

T ∝

1

a