PRESENTAZIONE

L'insegnamento Campi Elettromagnetici fornisce competenze di base, comprendenti le leggi fondamentali del campo elettromagnetico, l'interazione dei campi elettromagnetici con la materia, la propagazione elettromagnetica, e ha l'obiettivo di fornire gli strumenti essenziali alla comprensione dei fenomeni elettromagnetici e alle innumerevoli applicazioni pratiche dei campi elettromagnetici.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento ha l'obiettivo di fornire gli strumenti essenziali alla comprensione dei fenomeni elettromagnetici e alle innumerevoli applicazioni pratiche dei campi elettromagnetici.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni di base di campi elettromagnetici. Vengono presentate le leggi fondamentali del campo elettromagnetico, l'interazione dei campi elettromagnetici con la materia, l'estensione delle leggi di conservazione dell'energia e dei momenti ai campi elettromagnetici e i più semplici fenomeni ondulatori, con l'obiettivo di fornire gli strumenti essenziali alla comprensione delle innumerevoli applicazioni pratiche dei campi elettromagnetici.

Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di descrivere i concetti fondamentali dell'elettromagnetismo nel vuoto e nella materia e di risolvere semplici problemi di campi elettromagnetici che consentono di intravedere alcune importanti ricadute applicative.

MODALITA' DIDATTICHE

Le lezioni e gli esercizi vengono svolti in aula dal docente.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1.    Organizzazione dell'insegnamento, motivazioni e applicazioni (1.5; 1.5)

2.    Fisica newtoniana, relativistica e quantistica: il ruolo e l'importanza della teoria classica del campo elettromagnetico (3; 4.5)

3.    Cenni su alcuni concetti fondamentali acquisiti in precedenza: carica elettrica, modelli utilizzati per la carica elettrica, corrente elettrica, modelli utilizzati per la corrente elettrica, legge di conservazione della carica, forza di Lorentz, equazioni di Maxwell in presenza di cariche nel vuoto, potenziale elettrostatico e operatore gradiente (2.5; 7)

4.    Altri operatori differenziali di interesse e relativi teoremi: operatori divergenza e rotore e relativi teoremi, equazioni fondamentali in presenza di cariche nel vuoto in forma differenziale (3; 10)

5.    Una prima semplice deduzione utilizzando le equazione di Maxwell in forma locale: onde elettromagnetiche nel vuoto

5.1   equazione d'onda; equazione d’onda in una dimensione spaziale: forma generale della sua soluzione (2; 12)

5.2   onde piane progressive e regressive; loro espressione per una generica direzione di propagazione (1; 13)

5.3   onde elettromagnetiche piane: onde TEM; espressioni generali dei campi elettrico e magnetico; velocità della luce come velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche piane; un commento sulla teoria della relatività ristretta (2; 15)

6.    Campi elettromagnetici in presenza di materia:

6.1    alcuni dati sugli elementi che costituiscono la materia (0.5; 15.5)

6.2    controindicazioni dell'approccio basato sulle equazioni microscopiche (0.5; 16)

6.3    necessità di definire quantità macroscopiche e di valutare gli effetti del campo elettromagnetico macroscopico sulla materia e viceversa (0.5; 16.5)

6.4    conduzione elettrica: moti caotici di tipo browniano dei portatori mobili, moti dovuti a fenomeni di diffusione dei portatori mobili, moti dovuti a sollecitazioni esterne, correnti in presenza di diversi tipi di portatori (1.5; 18)

6.5    polarizzazione elettrica: effetti di un campo elettrostatico su atomi e molecole, potenziale elettrostatico generato da particolari configurazioni o distribuzioni di cariche elettriche, densità di momento di dipolo elettrico per unità di volume, densità volumetriche e superficiali di cariche elettriche equivalenti alla densità di momento di dipolo elettrico per unità di volume, cariche elettriche equivalenti alla polarizzazione, spostamento elettrico e generalizzazione della legge di Gauss, caso tempo variante, prima generalizzazione della legge di Ampere-Maxwell in forma globale (5; 23)

6.6    polarizzazione magnetica: effetti di un campo magnetostatico sulla materia, potenziale vettore generato da particolari correnti elettriche, densità di momento di dipolo magnetico per unità di volume, densità superficiali e lineari di correnti elettriche equivalenti alla densità di momento di dipolo magnetico per unità di volume, correnti elettriche equivalenti alla polarizzazione, campo magnetico e seconda e ultima generalizzazione della legge di Ampere-Maxwell (3; 26)

6.7    Equazioni fondamentali del campo elettromagnetico (in presenza di materia) (0.5; 26.5)

6.8    Equazioni fondamentali in regime sinusoidale permanente (0.5; 27)

6.9    Relazioni tra le equazioni fondamentali del campo elettromagnetico (1; 28)

7.    Relazioni costitutive (3; 31)

8.    Comportamento dei campi sulle superfici di discontinuità (3; 34)

9.    Estensione ai fenomeni elettromagnetici della legge di conservazione dell'energia:

9.1    teorema di Poynting; significato fisico dei termini presenti nella formulazione analitica del teorema di Poynting (3; 37)

9.2    esercizi: conversione di energia elettromagnetica in energia meccanica o termica e viceversa; disco di Nichols; effetto Joule in un conduttore cilindrico percorso da corrente continua (2; 39)

9.3    il teorema di Poynting in regime sinusoidale permanente (2; 41)

9.4    esercizi: dissipazioni dovute a effetto Joule o a polarizzazione viscosa; forni a microonde; ampiezza del campo irradiato da un’antenna isotropica in un mezzo omogeneo e senza perdite (3; 44)

10.    Estensione ai fenomeni elettromagnetici della legge di conservazione del momento lineare e angolare (2; 46)

11.    Teoremi di unicità per i campi elettromagnetici: caso generale e caso “time-harmonic”; importanza delle condizioni al contorno e delle condizioni iniziali; problemi elettromagnetici al contorno e di Cauchy (3; 49)

12.    Onde elettromagnetiche:

12.1    generalizzazione delle espressioni viste nella sezione 5 per una generica direzione di propagazione (1; 50)

12.2    altre possibili onde: onde sferiche (1; 51)

12.3    onde piane in regime sinusoidale permanente: lunghezza d’onda, vettore d’onda, polarizzazione di vettori sinusoidali nel tempo, polarizzazione di campi vettoriali sinusoidali nel tempo, polarizzazione del campo elettromagnetico monocromatico e sue applicazioni (“polarization division multiplexing, visione stereoscopica, ecc.) (3; 54)

12.4    propagazione delle onde piane in presenza di dissipazioni: il caso di mezzi con poche perdite e il caso di buoni conduttori; attenuazione; “skin depth”; velocità di propagazione; primi commenti sugli effetti della dispersione (nel tempo) (3; 57)

12.5    onde elettromagnetiche piane in regime sinusoidale permanente in presenza di discontinuità (3; 60)

TESTI/BIBLIOGRAFIA

• S. Bobbio, E. Gatti, Elementi di elettromagnetismo, Bollati Boringhieri, 1991
• G. Conciauro, L. Perregrini, Fondamenti di onde elettromagnetiche, McGraw-Hill, 2003
• J. D. Jackson, Classical electrodynamics, Wiley, 1999
• D. Pescetti, Elettromagnetismo, Piccin, 1985

Sono inoltre disponibili delle dispense preparate dal docente dell'insegnamento.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MIRCO RAFFETTO (Presidente)

GIAN LUIGI GRAGNANI

MATTEO PASTORINO

ANDREA RANDAZZO

LEZIONI

Orari delle lezioni

CAMPI ELETTROMAGNETICI

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame è orale e si compone di tre domande: almeno una di carattere teorico e almeno una formulata come un esercizio.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà dimostrare di aver appreso i principi di base dell'elettromagnetismo in presenza di cariche nel vuoto o nella materia e di essere in grado di affrontare e risolvere problemi non troppo complessi in tale contesto.

Calendario appelli