PRESENTAZIONE

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

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

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'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.

PREREQUISITI

Esami di Analisi Matematica e Fisica Generale; conoscenze di base di Metodi Matematici per l'Ingegneria

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, legge della forza di Lorentz, equazioni di Maxwell in presenza di cariche nel vuoto, potenziale elettrostatico e operatore gradiente, operatori divergenza e rotore e relativi teoremi (3.5; 8)
4. Campi elettromagnetici in presenza di materia:
4.1 considerazioni sulla definizione dei campi macroscopici e sulle leggi fondamentali per il campo elettromagnetico macroscopico in presenza di cariche nel vuoto (1; 9)
4.2 alcuni dati sugli elementi che costituiscono la materia (0.5; 9.5)
4.3 controindicazioni dell'approccio basato sulle equazioni microscopiche (0.5; 10)
4.4 analisi dell'interazione del campo elettromagnetico macroscopico con la materia (0.5; 10.5)
4.5 cenni alla conduzione elettrica (richiami di cose viste in altri insegnamenti): 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; 11.5)
4.6 polarizzazione elettrica: effetti di un campo elettrostatico su atomi e molecole, potenziale elettrostatico generato da particolari configurazioni o distribuzioni di cariche elettriche, dipolo elettrico e momento di dipolo elettrico, 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 (6; 17.5)
4.7 polarizzazione magnetica: effetti di un campo magnetostatico sulla materia, il campo di induzione magnetica creato da una spira circolare percorsa da corrente continua, momento di dipolo magnetico, densità di momento di dipolo magnetico per unità di volume, densità di corrente elettrica per unità di superficie e per unità di lunghezza equivalenti alla densità di momento di dipolo magnetico per unità di volume, correnti elettriche equivalenti alla polarizzazione magnetica, campo magnetico e seconda e ultima generalizzazione della legge di Ampere-Maxwell (3; 20.5)
4.8 Equazioni fondamentali del campo elettromagnetico (in presenza di materia) in forma globale (0.5; 21)
4.9 Equazioni fondamentali del campo elettromagnetico (in presenza di materia) in forma locale (1; 22)
4.10 Equazioni fondamentali in regime sinusoidale permanente (1; 23)
4.11 Relazioni tra le equazioni fondamentali del campo elettromagnetico (1; 24)
5. Relazioni costitutive (2; 26)
6. Comportamento dei campi sulle superfici di discontinuità (4; 30)
7. Estensione ai fenomeni elettromagnetici della legge di conservazione dell'energia:
7.1 teorema di Poynting; significato fisico dei termini presenti nella formulazione analitica del teorema di Poynting (3; 32)
7.2 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; 34)
7.3 il teorema di Poynting in regime sinusoidale permanente (2; 36)
7.4 esercizi: dissipazioni dovute a effetto Joule o a polarizzazione viscosa; forni a microonde; antenne che irradiano in un mezzo omogeneo: interpretazione in termini classici o in termini di fotoni;  (3; 39)
8. Estensione ai fenomeni elettromagnetici delle leggi di conservazione del momento lineare e angolare: teoria, esercizi e applicazioni (3; 42)
9. 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; formulazione di problemi di interesse per la propagazione guidata; formulazione di problemi elettromagnetici di radiazione; formulazione di problemi elettromagnetici di "scattering" (6; 48)
10. Onde elettromagnetiche:
10.1 campi elettromagnetici in semplici mezzi omogenei, in assenza di portatori di carica elettrica e densità di corrente impresse; equazione d’onda (1; 49)
10.2 equazione d’onda in una dimensione spaziale: forma generale della sua soluzione (2; 51)
10.3 onde piane progressive e regressive; loro espressione per una generica direzione di propagazione (0.5; 51.5)
10.4 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; 53.5)
10.5 altre possibili onde: onde sferiche (0.5; 54)
10.6 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.), “skin depth” (3; 57)
10.7 cenni agli effetti della propagazione in presenza di materiali dispersivi nel tempo e alle onde elettromagnetiche piane in presenza di semplice discontinuità (3; 60).

Tra parentesi sono indicate, rispettivamente, le ore dedicate al singolo argomento e la somma delle ore dedicate ai vari argomenti.

Questo insegnamento, trattando temi di interesse scientifico-tecnologico quali i campi elettromagnetici, contribuisce al raggiungimento dei seguenti Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda ONU 2030:
8.2 (Raggiungere standard più alti di produttività economica attraverso la diversificazione, il progresso tecnologico e l’innovazione, anche con particolare attenzione all’alto valore aggiunto e ai settori ad elevata intensità di lavoro)
9.5 (Aumentare la ricerca scientifica, migliorare le capacità tecnologiche del settore industriale in tutti gli stati – in particolare in quelli in via di sviluppo – nonché incoraggiare le innovazioni e incrementare considerevolmente, entro il 2030, il numero di impiegati per ogni milione di persone, nel settore della ricerca e dello sviluppo e la spesa per la ricerca – sia pubblica che privata – e per lo sviluppo)

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

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/8713/p/studenti-orario

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

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.