Engineering Physics Text Book

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Book byDr.G.K.ShivakumarProfessor in PhysicsNational Institute of Technology KarnatakaSrinivasnagar, Mangalore 575025India

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<ul><li><p>Table of Contents</p><p>1 Elements Of Wave Mechanics 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Black body radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1</p><p>1.2.1 Experimental observation of black body radiation . . . . . . . 21.2.2 Laws of black body radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.3 Stefan Boltzmann radiation law . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.4 Wiens Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.5 Rayleigh Jeans law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.6 Plancks radiation law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.7 Derivation of Wiens law from Plancks law . . . . . . . . . . 51.2.8 Derivation of Rayleigh Jeans law from Plancks law . . . . 6</p><p>1.3 Photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Compton effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Matter waves and de Broglies hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . 10</p><p>1.5.1 Davisson-Germer experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.2 G.P. Thomson experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5.3 Wave packet and de Broglie waves . . . . . . . . . . . . . . . 141.5.4 Characteristics of matter waves . . . . . . . . . . . . . . . . 14</p><p>1.6 Phase and group velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.6.1 Relation between phase velocity and group velocity . . . . . . 161.6.2 Relation between group velocity and particle velocity . . . . . 171.6.3 Derivation of de Broglie relation . . . . . . . . . . . . . . . . 18</p><p>1.7 Heisenbergs Uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.7.1 Origin and nature of the Principle . . . . . . . . . . . . . . . 191.7.2 An illustration of uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . 211.7.3 Physical significance of uncertainty principle . . . . . . . . . 221.7.4 Applications of uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . . 22</p></li><li><p>1.8 Wave mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.8.1 Characteristics of wave function . . . . . . . . . . . . . . . . 251.8.2 Physical significance of wave function . . . . . . . . . . . . . 251.8.3 Schrodingers wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.8.4 Eigen values and eigen functions . . . . . . . . . . . . . . . . 27</p><p>1.9 Applications Of Schrodingers Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9.1 Case of a free particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9.2 Particle in a box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9.3 Finite Potential well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.9.4 Tunnel effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.9.5 Examples of tunneling across a finite barrier . . . . . . . . . . 371.9.6 Theoretical interpretation of tunneling . . . . . . . . . . . . . 391.9.7 Harmonic oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.9.8 Practical applications of Schrodingers wave equation . . . . . 42</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51</p><p>2 Crystallography and X-rays 552.1 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55</p><p>2.1.1 Unit cell and space lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.1.2 Crystal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.1.3 Bravais lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.1.4 Miller indices and their uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.1.5 Interplanar spacing in cubic crystals . . . . . . . . . . . . . . 632.1.6 Atomic packing factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.1.7 Some crystal structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68</p><p>2.2 X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.2.1 Origin of x-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.2.2 Continuous x-ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.2.3 Characteristic x-ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.2.4 Moseleys law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77</p></li><li><p>2.3 X-ray diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.3.1 Braggs law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.3.2 Braggs spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792.3.3 Structure determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80</p><p>2.4 Electron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.5 Neutron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87</p><p>3 Electrical Conductivity In Metals 893.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.2 Classical Free Electron Theory Of Metals</p><p>(Drude - Lorentz Theory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.2.1 Expression for electrical conductivity . . . . . . . . . . . . . 903.2.2 Electron - lattice interaction and consequences . . . . . . . . 953.2.3 Failure of classical free electron theory . . . . . . . . . . . . 96</p><p>3.3 Quantum free electron theory of metals . . . . . . . . . . . . . . . . 973.3.1 Density of energy states in a metal . . . . . . . . . . . . . . . 1003.3.2 Metal as a Fermi gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.3.3 Band theory of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.3.4 Merits of quantum free electron theory . . . . . . . . . . . . 105</p><p>3.4 Electron Scattering Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.4.1 Effect of temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.4.2 Effect of impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108</p><p>3.5 Thermionic emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115</p><p>4 Superconductivity 1174.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.2 Characteristic features of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . 118</p><p>4.2.1 Isotope effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.2.2 Meissner effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119</p></li><li><p>4.3 Classification of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.4 Applications of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.5 Theoretical interpretation of superconductivity . . . . . . . . . . . . . 1284.6 High Temperature Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131</p><p>5 Semiconductors 1325.1 Band Structure of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.2 Intrinsic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134</p><p>5.2.1 Carrier generation in intrinsic semiconductors . . . . . . . . . 1355.2.2 Fermi factor and Fermi energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.2.3 Conductivity of an intrinsic semiconductor . . . . . . . . . . 1375.2.4 Effect of temperature on conductivity . . . . . . . . . . . . . 138</p><p>5.3 Extrinsic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385.3.1 Conductivity of an extrinsic semiconductor . . . . . . . . . . 1415.3.2 Effect of temperature on the conductivity of extrinsic semicon-</p><p>ductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.3.3 Concentration and mobility of current carriers . . . . . . . . . 143</p><p>5.4 Generation and recombination of carriers . . . . . . . . . . . . . . . 1465.5 Direct and indirect band gap semiconductors . . . . . . . . . . . . . . 146</p><p>5.5.1 Semiconductor materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.6 Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151</p><p>5.6.1 Experimental determination of carrier concentration . . . . . 1535.6.2 Hall effect in intrinsic semiconductors . . . . . . . . . . . . . 1545.6.3 Applications of Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155</p><p>5.7 p-n Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.7.1 Unbiased p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.7.2 Semiconductor junction with applied bias . . . . . . . . . . . 1605.7.3 Incremental junction capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.7.4 Breakdown in a p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164</p></li><li><p>5.8 Zener diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.8.1 Zener breakdown mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.8.2 Identification of breakdown mechanism in a p-n junction . . . 166</p><p>5.9 Applications of p-n junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.9.1 Junction diode as rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.9.2 Zener diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1685.9.3 Photo diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.9.4 Photovoltaic effect and solar cell . . . . . . . . . . . . . . . . 1715.9.5 Light emitting diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180</p><p>6 Dielectric Properties Of Materials 1826.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1826.2 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184</p><p>6.2.1 Mechanisms of polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.2.2 Temperature dependence of polarization . . . . . . . . . . . . 1896.2.3 Effect of frequency on polarization . . . . . . . . . . . . . . . 190</p><p>6.3 Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916.3.1 Dielectric constant of monoatomic gases . . . . . . . . . . . 1916.3.2 Dielectric constant of polyatomic gases . . . . . . . . . . . . 1936.3.3 Internal field in solids and liquids . . . . . . . . . . . . . . . 1936.3.4 Dielectric constant of elemental solids . . . . . . . . . . . . . 1966.3.5 Dielectric constant of ionic solids without permanent dipoles . 1976.3.6 Dielectric constant of polar materials . . . . . . . . . . . . . 198</p><p>6.4 Ferroelectric materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1996.5 Piezoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2026.6 Dielectric losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208</p></li><li><p>7 Magnetic Properties 2097.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.2 Classification of magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107.3 Origin of permanent dipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2127.4 Magnetic hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167.5 Hard and soft magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2187.6 Metallic and ceramic magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . 2197.7 Ferrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.8 Applications of magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224</p><p>8 Applied Optics 2258.1 Absorption and emission of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225</p><p>8.1.1 Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2258.1.2 Induced absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2268.1.3 Spontaneous emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278.1.4 Stimulated emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227</p><p>8.2 Lasers - basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2288.2.1 Einsteins theory of stimulated emission . . . . . . . . . . . 2288.2.2 Conditions for laser action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2308.2.3 Methods of achieving population inversion . . . . . . . . . . 2318.2.4 Requirements of a laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . 231</p><p>8.3 Types Of Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2348.3.1 Ruby Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2348.3.2 Helium-Neon laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2368.3.3 Semiconductor diode laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237</p><p>8.4 Applications of lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2398.4.1 Industrial applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2398.4.2 Medical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2408.4.3 Estimation of atmospheric pollution . . . . . . . . . . . . . . 2408.4.4 Applications in basic sciences . . . . . . . . . . . . . . . . . 240</p></li><li><p>8.5 Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2418.5.1 Recording of holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2418.5.2 Reconstruction of images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2428.5.3 Applications of holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243</p><p>8.6 Optical fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438.6.1 Materials for optical fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438.6.2 Propagation of light through an optical fiber . . . . . . . . . . 2448.6.3 Modes of propagation in a fiber . . . . . . . . . . . . . . . . 2478.6.4 Signal distortion in optical fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 2498.6.5 Signal attenuation in optical fibers . . . . . . . . . . . . . . . 249</p><p>8.7 Applications of optical fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2508.7.1 Fiber optic communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2508.7.2 Applications in medicine and industry . . . . . . . . . . . . . 252</p><p>Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254</p><p>9 Modern Materials And Methods 2569.1 Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256</p><p>9.1.1 Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2569.1.2 Clay products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.1.3 Refractories and abrasives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.1.4 Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2589.1.5 Cermets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258</p><p>9.2 Composite Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2599.3 Smart Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2609.4 Shape Memory Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2619.5 Microelectromechanical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263</p><p>9.5.1 Sensors . . . . . . . . . . . . ....</p></li></ul>