OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento ha l'obiettivo di fornire gli strumenti essenziali alla comprensione dei fenomeni elettromagnetici e delle 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'estensione delle leggi di conservazione dell'energia e dei momenti ai campi elettromagnetici, i più semplici fenomeni ondulatori e le basi della teoria dei circuiti a parametri concentrati e distribuiti, 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. Fisica newtoniana e relativistica (2; 2)

2.    Quantizzazione della carica e del campo elettromagnetico: il ruolo e l'importanza della teoria classica del campo elettromagnetico (2; 4)

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; 6)

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 (2; 8)

5.    Fisica della materia relativa ai fenomeni di conduzione elettrica e polarizzazione elettrica e magnetica (2; 10)

6.    Polarizzazione elettrica della materia: dalle distribuzioni elementari di cariche puntiformi alla densità di momento di dipolo elettrico per unità di volume (2; 12)

7.    Polarizzazione elettrica della materia: 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; prima generalizzazione della legge di Ampere-Maxwell in forma globale (2; 14)

8.    Polarizzazione magnetica della materia: 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 (2; 16)

9.    Prime conseguenze sul funzionamento dei circuiti elettrici (2; 18)

10.  Cenni sulle relazioni costitutive (2; 20)

11.  Comportamento dei campi sulle superfici di discontinuità (2; 22)

12.  Estensione ai fenomeni elettromagnetici della legge di conservazione dell'energia: il teorema di Poynting; significato fisico dei termini della formulazione analitica del teorema di Poynting che coinvolgono il vettore di Poynting, la densità di corrente impressa e la densità di corrente di deriva (2; 24)

13.   Ancora sull'estensione ai fenomeni elettromagnetici della legge di conservazione dell'energia: significato fisico dei termini della formulazione analitica del teorema di Poynting che coinvolgono il vettore lo spostamento elettrico e l'induzione magnetica (2; 26)

14.  Esercizi ed applicazione del teorema di Poynting: 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; 28)

15.  Il teorema di Poynting in regime sinusoidale permanente (2; 30)

16.  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 (2; 32)

17.  Estensione ai fenomeni elettromagnetici della legge di conservazione del momento lineare e angolare (2; 34)

18.  Teorema di unicità per campi elettromagnetici con dipendenza dal tempo generica: importanza delle condizioni al contorno e delle condizioni iniziali; problemi elettromagnetici al contorno e di Cauchy (2; 36)

19.  Formulazione dei più importanti problemi elettromagnetici di interesse nelle applicazioni: propagazione guidata, radiazione, "scattering" elettromagnetico (2; 38)

20.  Onde elettromagnetiche: equazione d'onda; equazione d’onda in una dimensione spaziale: forma generale della sua soluzione (2; 40)

21.  Onde elettromagnetiche piane: onde TEM; espressioni generali dei campi elettrico e magnetico; velocità della luce come velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche piane (2; 42)

22.  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 (3; 45)

23.  Applicazioni: attenuazione; “skin depth”; velocità di propagazione; primi commenti sugli effetti della dispersione nel tempo sui segnali digitali (3; 48)

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.