Anno Accademico 2017/2018
- Docente: Luca Pasquini
- Crediti formativi: 6
- SSD: FIS/01
- Lingua di insegnamento: Italiano
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza
- Campus: Cesena
- Corso: Laurea in Ingegneria e scienze informatiche (cod. 8615)
Conoscenze e abilità da conseguire
Al termine del corso, lo studente conosce le basi della dinamica classica, il significato di lavoro ed energia e i fondamenti dell’elettromagnetismo. Lo studente è in grado di risolvere semplici problemi e di applicare i concetti appresi a dispositivi e sensori usati nella tecnologia dell’informazione.
Contenuti
-) Sistema Internazionale di unità di misura. Unità di tempo, lunghezza, massa e carica elettrica.
-) Cinematica: concetto e definizione di velocità e accelerazione. Significato geometrico. Legge oraria dei moti rettilineo uniforme, uniformemente accelerato e circolare uniforme.
-) Dinamica: leggi del moto di Newton. Forze e quantità di moto. Esempi di forze: gravitazionale, elastica, attrito. Sensori di forza e accelerometri.
-) Lavoro ed energia: Lavoro e potenza di una forza. Lavoro e energia cinetica. Forze conservative e energia potenziale.
-) Elettrostatica: Legge di Coulomb. Campo elettrico. Energia potenziale e potenziale elettrico. Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss. Il condensatore. Sensori capacitivi.
-) Correnti elettriche: Legge di Ohm. Mobilità e resistività: conduttori e isolanti. Effetto Joule. Resistenze in serie e parallelo. Leggi di Kirchhoff. Misure di corrente e tensione. Condensatori in serie e parallelo. Circuiti RC. Sensori resistivi.
-) Magnetismo: Correnti elettriche e campo magnetico. Forza di Lorentz. Sorgenti del campo magnetico. Induzione elettromagnetica. Sensori di campo magnetico a effetto Hall. Applicazioni dell'induzione elettromagnetica.
-) Circuiti in corrente alternata (ca): comportamento dei singoli elementi R, L, C. Potenza dissipata. Concetto di reattanza e impedenza. Analisi di circuiti RLC serie, RC serie, RL serie col metodo dei fasori. Transitori RL. Condizione di risonanza. Filtri.
-) Onde elettromagnetiche: proprietà (frequenza, lunghezza d’onda, velocità, energia). Generazione e propagazione di onde elettromagnetiche. Il concetto di fotone.
Programma dettagliato
Sistema internazionale di unità di misura: lunghezza, tempo e massa. Cinematica del punto materiale: velocità e accelerazione in 1 dimensione. Moti rettilineo uniforme e rettilineo uniformemente accelerato.
Cinematica in 2 e 3 dimensioni. Velocità e accelerazione. Moto su una circonferenza. Moto circolare uniforme: periodo, frequenza e velocità angolare.
Moto armonico. Moto balistico in due dimensioni. Traiettoria parabolica: gittata. Velocità relativa per sistemi in moto rettilineo uniforme.
Principi della dinamica. Primo principio: conservazione della quantità di moto. Significato di sistema di riferimento inerziale. Secondo principio: forza e accelerazione. Forze fondamentali della natura. Terzo principio: azione e reazione.
Applicazioni dei principi della dinamica: ascensore in discesa e risalita, funi e carrucole, moto dei satelliti, piano inclinato, forza di attrito.
Moto vincolato su una circonferenza nel piano orizzontale: limite di aderenza. Il pendolo: piccole oscillazioni e periodo. La forza elastica. Accelerometri: principio di funzionamento. Gli accelerometri MEMS.
Definizione di energia cinetica e lavoro. Potenza. Teorema del lavoro e dell'energia cinetica. Lavoro di una forza costante, della forza elastica, e della forza di gravità.
Lavoro indipendente dal percorso: forze conservative e energia potenziale. Forza costante, di gravità, elastica. Relazione fra forza e energia potenziale. Conservazione dell'energia meccanica. Moto a energia costante in potenziale arbitrario: analisi grafica.
Forze non conservative. Variazioni di energia meccanica e produzione di calore (cenni). La definizione di caloria. Forze dissipative: attrito e resistenza nel moto in un fluido.
Carica elettrica: legge di Coulomb. Significato di campo elettrico: campo di una carica puntiforme, di un dipolo e di un filo uniformemente carico. Flusso del campo elettrico e teorema di Gauss (prima equazione di Maxwell).
Campo di una lastra carica. Il condensatore. Definizione di capacità. Energia potenziale e potenziale elettrico. Energia immagazzinata in un condensatore. Condensatori e dielettrici. Sensori capacitivi.
Moto di cariche in campi elettrici. Conduttori e isolanti. Modello microscopico di conducibilità. Legge di Ohm.
Resistenze e capacità in serie e in parallelo. Circuiti in corrente continua. Leggi di Kirchoff.
Effetto Joule. Energia in un condensatore. Bilancio energetico. Transitori RC.
Campo magnetico e cariche in movimento: Forza di Lorentz. Definizione di prodotto vettoriale. Effetto Hall e sensori di campo magnetico. Forza magnetica su un filo percorso da corrente.
Sorgenti del campo magnetico e sue caratteristiche. Assenza di monopoli magnetici. Teorema della circuitazione di Ampère. Campo magnetico di un filo e di un solenoide. Forza tra fili percorsi da corrente: definizione dell'Ampère nel SI. Permeabilità magnetica relativa.
Induzione elettromagnetica: legge di Faraday. Il verso della corrente indotta: legge di Lenz. Campi elettrici non conservativi. Generatori di corrente alternata.
Forza elettromotrice indotta su conduttori in movimento. Forza controelettromorice. Applicazioni dell'induzione elettromagnetica: trasformatori, alternatori, lettura di tag RFID, Inductive Power Transfer.
Definizione di induttanza (L) e suo comportamento nei circuiti. Energia immagazzinata nel campo magnetico. Transitori RL. Comportamento di resistenza (R), capacità (C) e induttanza (L) in corrente alternata. Circuito RLC serie: analisi col metodo dei fasori. Condizione di risonanza. Filtri RC e RL passa-alto e passa-basso.
Corrente di spostamento. Equazioni di Maxwell. Onde elettromagnetiche: generazione, ricezione e proprietà. Il concetto di fotone.
Testi/Bibliografia
1) Giancoli, "FISICA", Casa Editrice Ambrosiana. Disponibile anche in due volumi, leggermente più approfonditi, "FISICA 1" e "FISICA 2"
2) Halliday, Resnick, Walker, "FONDAMENTI DI FISICA", Casa Editrice Ambrosiana. Disponibile anche in due volumi, "Meccanica-Onde-Termodinamica" e "Elettromagnetismo-Ottica"
3) Walker, "FONDAMENTI DI FISICA", Pearson
Metodi didattici
Lezioni frontali alla lavagna integrate da esercizi. Occasionale uso di videoproiettore. Saranno svolte inoltre sessioni interamente dedicate alle esercitazioni.
Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento
La verifica dell'apprendimento consiste in un esame scritto in cui il candidato deve risolvere alcuni problemi relativi agli argomenti del corso. A richiesta dello studente è possibile integrare l'esame scritto, purché sufficiente, con un colloquio orale.
Strumenti a supporto della didattica
Sono disponibili su AMS Campus, docente="Luca Pasquini", insegnamento="FISICA", i seguenti materiali didattici:
-) Appunti usati dal docente per lo svolgimento delle lezioni
-) Esercizi con soluzione in preparazione al compito scritto
-) Diapositive di alcune presentazioni sul tema "Fisica applicata a sensori e dispositivi"
-) Testi dei compiti d'esame degli anni precedenti, con soluzioni.
Orario di ricevimento
Consulta il sito web di Luca Pasquini