Obiettivi formativi
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
− conoscere i fenomeni fondamentali dell'elettromagnetismo e le leggi che li governano;
− comprendere i principali fenomeni elettrostatici e magnetostatici;
− comprendere i meccanismi di propagazione delle onde elettromagnetiche nei diversi mezzi fisici;
− risolvere esercizi e problemi relativi agli argomenti trattati;
− applicare le conoscenze acquisite sui fenomeni elettrostatici e magnetostatici, e sulla propagazione delle onde elettromagnetiche a contesti diversi e più complessi rispetto a quelli presentati in questo insegnamento
Contenuti dell'insegnamento
Introduzione sull’elettromagnetismo
Richiami su numeri complessi e fasori, sull’algebra vettoriale e sugli operatori differenziali
Equazioni di Maxwell
Elettrostatica: distribuzione di carica e di corrente, legge di Coulomb, legge di Gauss, potenziale scalare elettrico, proprietà elettriche dei materiali, capacità
Magnetostatica: forze magnetiche, legge di Biot-Savart, proprietà magnetiche dei materiali, induttanza
Linee di trasmissione: proprietà generali, modello a costanti concentrate, equazioni della linea di trasmissione, propagazione delle onde in una linea di trasmissione, linea di trasmissione senza perdite, adattamento di impedenza
Propagazione di onde piane: campi in regime armonico, propagazione in mezzi senza perdite e con perdite, densità di potenza elettromagnetica
Cenni su radiazione e antenne
Programma esteso
La durata di ogni lezione è pari a 2 ore
LEZIONE 1: Introduzione sull’elettromagnetismo: fenomeni e grandezze elettriche e magnetiche, definizione
di elettrostatica, magnetostatica e dinamica
LEZIONE 2: Legge di Coulomb, legge di Biot-Savart, parametri costitutivi dei materiali (permittività elettrica,
permeabilità magnetica, conducibilità)
LEZIONE 3: Richiami su grandezze scalari e vettoriali, prodotto tra vettori (semplice, scalare, vettoriale),
operatori differenziali in coordinate cartesiane (gradiente, divergenza, rotore, laplaciano), teorema della
divergenza, teorema di Stokes
Elettrostatica:
LEZIONE 4: Equazioni di Maxwell (in forma differenziale e in forma integrale), generalizzazione della legge di
Coulomb a cariche multiple
LEZIONE 5: Legge di Gauss, potenziale elettrico, equazione di Poisson e di Laplace, materiali conduttori e
dielettrici, legge di Ohm puntuale
LEZIONE 6: Legge di Ohm, resistenza, legge di Joule, capacità, energia potenziale elettrostatica
LEZIONE 7: Esercizi su forza di Coulomb, teorema di Gauss, resistenza elettrica, potenziale elettrico e lavoro
Magnetostatica:
LEZIONE 8: Confronto con grandezze e leggi dell'elettrostatica, forza magnetica, forza elettromagnetica (forza
di Lorentz), momento torcente magnetico
LEZIONE 9: Legge di Biot-Savart (conduttore di lunghezza infinita, loop circolare), forza tra due conduttori di
lunghezza infinita, legge di Gauss per la magnetostatica, legge di Ampere
LEZIONE 10: Applicazione della legge di Ampere al filo conduttore e al toroide, potenziale vettore magnetico,
flusso magnetico
LEZIONE 11: Campo magnetico interno a un induttore solenoidale, autoinduttanza e induttanza mutua,
energia magnetica, densità di energia magnetica
LEZIONE 12: Esercizi su forza magnetica, momento torcente, campo magnetico generato da un conduttore
di lunghezza infinita e da una spira circolare
Linee di trasmissione:
LEZIONE 13: Richiami sulle onde sinusoidali e sui numeri complessi, fasori
LEZIONE 14: Richiami sui circuiti a parametri concentrati, comportamento dei bipoli in regime sinusoidale,
risoluzione di circuiti a parametri concentrati in regime sinusoidale con l'uso dei fasori
LEZIONE 15: Linee di trasmissione TEM (cavo coassiale, doppino telefonico), modello delle linee di
trasmissione con circuiti a parametri concentrati, equazioni dei telegrafisti
LEZIONE 16: Equazioni delle onde, costante di propagazione e impedenza caratteristica delle linee di
trasmissione, introduzione alle linee di trasmissione senza perdite
LEZIONE 17: Linee di trasmissione senza perdite: coefficiente di riflessione della tensione (esempi con carico
adattato, circuito aperto e corto-circuito), onde stazionarie di tensione e corrente
LEZIONE 18: Linee di trasmissione senza perdite: minimi e massimi delle onde stazionarie di tensione e
corrente, rapporto di onda stazionaria, impedenza dell'onda, impedenza di ingresso
LEZIONE 19: Esempi di linee di trasmissione senza perdite (terminate su corto-circuito e circuito aperto, di
lunghezza pari a metà lunghezza d'onda e a un quarto di lunghezza d'onda, con carico adattato), potenza
istantanea incidente e riflessa al carico, potenza media incidente e riflessa al carico, adattamento di
impedenza con elemento reattivo o stub in parallelo al carico
LEZIONE 20: Esercizi sulle linee di trasmissione senza perdite
Propagazione di onde piane:
LEZIONE 21: Legge di Faraday e di Ampere in regime dinamico, propagazione libera e guidata di onde
elettromagnetiche, equazione delle onde per onde piane uniformi in mezzi senza perdite
LEZIONE 22: Campo elettrico e magnetico di un'onda piana uniforme in un mezzo senza perdite e con perdite,
impedenza intrinseca del mezzo, vettore di Poynting e densità di potenza media associata alla propagazione
di un'onda piana in un mezzo senza perdite e con perdite
LEZIONE 23: Esercizi sulla propagazione di onde piane uniformi nello spazio libero e in mezzi senza perdite e
con perdite
LEZIONE 24: Cenni sulla radiazione e sulle antenne: parametri caratteristici, formula di trasmissione di Friis,
esempio di un sistema di comunicazione satellitare
Bibliografia
Fawwaz T. Ulaby, Umberto Ravaioli, “Fundamentals of Applied Electromagnetics” (7th edition), Pearson, 2015
Fawwaz T. Ulaby, “Fondamenti di campi elettromagnetici. Teoria e applicazioni” (a cura di Stefano Selleri), McGraw-Hill Education, 2006
Metodi didattici
Le attività didattiche comprendono lezioni svolte in aula dal docente con l’ausilio della lavagna e del computer/proiettore per mostrare presentazioni multimediali e immagini (36 ore). A queste si alternano esercitazioni (12 ore) svolte dal docente alla lavagna o, eventualmente, con l’ausilio di programmi software.
Il materiale didattico di supporto alle lezioni viene caricato con cadenza settimanale sulla piattaforma Elly. Per scaricare il materiale è necessaria l’iscrizione al corso.
Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione dell’apprendimento è effettuata tramite una prova scritta della durata di due ore, che prevede solitamente esercizi ed alcune domande aperte sugli argomenti trattati durante le lezioni, per verificare le conoscenze dello studente e la sua capacità di applicare i concetti appresi. La prova scritta, durante la quale è consentito l'uso della calcolatrice, è valutata con scala 0/30. La lode viene assegnata in caso di raggiungimento del punteggio massimo previsto. Il voto della prova scritta viene normalmente pubblicato sul portale Esse3 nell’arco della settimana successiva alla data dell’esame. Gli studenti possono visionare l’esame previo appuntamento col docente.
L’iscrizione on-line all’appello è obbligatoria e va effettuata non più tardi di tre giorni prima della data dell’esame.
