Fisica Generale 2 (DM 270)

Docente: Prof. Giovanni Bongiovanni

Email: giovanni.bongiovanni@dsf.unica.it- (Tel: +39 070 675 4925)

Web: http://www.dsf.unica.it/~fotonica/Bongiovanni/index.html

Settore FIS/01 – Fisica Sperimentale

Crediti: 7 CFU - Durata: 70 ore

Calendario: 1° Anno - 2° Semestre

Corso di Studi: Laurea - Ingegneria

Anno Accademico: 2010-2011

Ordinamento: DM 270

Ricevimento studenti: mercoledì ore 15.30-17.30

Obiettivi:

Alla fine del corso ci si attende che lo studente abbia sviluppato:

1) (Indicatore di conoscenza e capacità di comprensione) le conoscenze delle leggi fisiche fondamentali dell’elettromagnetismo e la capacità di comprensione e di inquadramento delle problematiche fisiche connesse, con particolare riferimento a quelle rilevanti per l’ingegneria.

2) (Indicatore di conoscenza e capacità di comprensione applicate) la capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere in modo quantitativo fenomeni elettromagnetici semplici.

3) (Indicatore autonomia di giudizio) la capacità di selezionare le informazioni rilevanti di un problema di elettromagnetismo e di introdurre le semplificazioni opportune per la sua soluzione.

4) (Indicatore abilità comunicative) la capacità di descrivere, utilizzando una corretta terminologia, problematiche di elettromagnetismo.

5) (Indicatore capacità di apprendere autonomamente) gli schemi e gli strumenti concettuali fisici/matematici necessari per l’apprendimento del sapere scientifico e per affrontare i corsi successivi, di fisica applicata e di ingegneria, con un elevato grado di autonomia.

Prerequisiti

Analisi matematica 1, Fisica generale 1

Metodi didattici

52 ore di lezione, 18 ore di esercitazione 

Esame

Prova scritta/prova orale/prove in itinere

Argomenti del Corso

1 - Elettrostatica Generale (11h+4h)

La carica elettrica. Conduttori e isolanti. Legge di Coulomb. Campo elettrico. Linee di campo. Campo di una carica e di una distribuzione. Moto di una carica in campo uniforme. Flusso del campo elettrico. Legge di Gauss. Applicazione della legge di Gauss a diverse distribuzioni di carica. Lavoro e potenziale elettrostatico. Superfici equipotenziali. Potenziale di una carica puntiforme e di una distribuzione. Relazione tra campo e potenziale. Campo e potenziale di un conduttore.

2 - Condensatori (3h+2h)

Condensatori e capacità. Condensatore piano, sferico e cilindrico. Condensatori in serie e in parallelo. Energia del campo elettrostatico e sua densità. Condensatore con dielettrico e costante dielettrica. Rigidita’ dielettrica. Energia del campo elettrostatico nei dielettrici. Dipoli elettrici nei dielettrici. Legge di Gauss nei dielettrici.

3-Circuiti (8h+2h)

Corrente elettrica e densità di corrente. Resistenza elettrica e resistività. Legge di Ohm. Semiconduttori e superconduttori. Potenza ed effetto Joule. Forza elettromotrice. Leggi di Kirchhoff. Resistori in serie e in parallelo. Circuito RC in c.c..

4 - Campo Magnetico nel Vuoto (8h+2h)

Forza magnetica e campo magnetico B. Forza su un filo percorso da corrente. Momento meccanico su una spira. Momento di dipolo magnetico. Legge di Biot e Savart. Legge di Ampère. Campo di un filo infinito, di un solenoide infinito e di un toroide. Forza tra due fili paralleli e unità di misura della corrente.

5 - Induzione Elettromagnetica (11h+4h)

Induzione elettromagnetica e legge di Faraday. Legge di Lenz. Forza elettromotrice indotta in una spira in moto. Principio del generatore di c.a.. Forze elettromotrici indotte e campi elettrici. Autoinduzione. Autoinduttanza di un solenoide e di un toroide. Circuito RL in c.c.. Energia del campo magnetico e sua densità.

6 - Campo Magnetico nella Materia ed Equazioni di Maxwell (8h+2h)

Momenti di dipolo magnetico nella materia. Legge di Gauss per il magnetismo. Paramagnetismo. Forza su un dipolo in campo non uniforme e diamagnetismo. Ferromagnetismo. Anello di Rowland e ciclo di isteresi. I vettori intensità di magnetizzazione e intensità di campo magnetico H. Permeabilità magnetica. Magneti permanenti. Condizioni al contorno per il campo B. Campi magnetici indotti e corrente di spostamento. Equazioni di Maxwell.

7 - Onde Elettromagnetiche (3h+2h)

Onde elettromagnetiche: spettro, generazione e propagazione. Onda piana. Energia trasportata, vettore di Poynting e intensità. Polarizzazione lineare e legge di Malus. Velocità della luce nella materia.

Bibliografia

1. Halliday, Resnick, Walker: Fondamenti di Fisica (Vol. Elettrologia-Magnetismo-Ottica oppure Volume unico), Ambrosiana.

2. P.Mazzoldi, M.Nigro, C.Voci: Elementi di Fisica, ( Vol. Elettromagnetismo e Vol. Onde), Edises.

3. J. Serway, Fisica Volume 2, Edises.

Physics 2

Expected learning outcomes.

1) (Knowledge and understanding). Knowledge of the basic principles of Electromagnetism and understanding of the related physical problems, with particular emphasis to those typical of Engineering.

2) (Applying knowledge and understanding). Capability of applying the acquired knowledge for solving quantitative elementary problems of Electromagnetism.

3) (Making judgements). Capability of selecting relevant information of an electromagnetism problem and of introducing suitable simplifications.

4) (Communication skills). Capability of describing topics of Electromagnetism through the use of a correct terminology.

5) (Learning skills). Physical/mathematical conceptual skills necessary to deal with more advanced courses of Applied Physics and Engineering with a good degree of autonomy.

Prerequisites

Mathematics 1; Physics 1.

Examination

Written test / oral examination / tests during the course

Teaching course

Lecture: 52 hours; Tutorial and exercise: 18 hours

1- Electrostatics (11h+4h)

Electric charges. Conductors and insulators. Coulomb’s law. Electric field. Electric field lines. Electric field due to a single charge and to a charge distribution. Motion of a charged particle in a uniform electric field. Electric flux. Gauss’s law. Application of Gauss’s Law to various charge distributions. Work and electric potential. Equipotential surfaces. Electric potential due to a point charge and to a charge distribution. Relation between the electric field and the electric potential. Electric field and the electric potential in a conductor.

2- Capacitors (3h+2h)

Capacitance. Capacitors. Planar, spherical, and cylindrical capacitors. Capacitors in series and in parallel. Energy stored in an electric field. Energy density of the electric field. Capacitors with dielectrics and dielectric constant. Energy stored in an electric field in presence of a dielectric. Electric dipoles in dielectrics. Gauss’s Law in dielectrics.

3- Circuits (8h+2h)

Electrical current and current density. Electrical resistance and resistivity. Ohm’s Law. Semiconductors and superconductors. Power and Joule’s effect. Electromotive force. Kirchhoff’s laws. Resistances in series and in parallel. RC circuits.

4- Magnetic field in vacuum (8h+2h)

Magnetic force and magnetic field. Magnetic force acting on a current-carrying wire. Torque acting on a current loop. Magnetic dipole moment. Biot-Savart Law. Ampère’s Law. Magnetic field due to an infinite wire, an infinite solenoid and a toroid. Forces between two parallel currents and SI unit of current.

5- Electromagnetic induction (11h+4h)

Electromagnetic induction and Faraday’s law. Lenz’s law. Motional electromotive force. Generators. Induced electromotive forces and electric field. Self-induction. Self-induction in a solenoid and in a toroid. RL circuits. Energy stored in a magnetic field. Energy density of the magnetic field.

6- Magnetic field in matter and Maxwell’s equations (8h+2h)

Magnetic dipoles in a medium. Gauss’s Law for magnetic fields. Paramagnetism. Forces acting on a dipole immersed in a non uniform field. Diamagnetism. Ferromagnetism. Rowland’s ring and hysteris cycle. Magnetization M and magnetic field strength H. Permanent magnets. Boundary condition for B. Induced magnetic field and displacement current. Maxwell’s equations.

7- Electromagnetic waves (3h+2h)

Spectrum, generation and propagation of electromagnetic waves. Plane waves. Energy carried by the electromagnetic waves and Poynting vector. Linear polarization and Malus’s law. Light speed in vacuum and in a dielectric medium.

References

1. Halliday, Resnick, Walker: Fondamenti di Fisica (Vol. Elettrologia-Magnetismo-Ottica oppure Volume unico), Ambrosiana.

2. P.Mazzoldi, M.Nigro, C.Voci: Elementi di Fisica, ( Vol. Elettromagnetismo e Vol. Onde), Edises.

3. J. Serway, Fisica Volume 2, Edises.