B1771 - ELETTROMAGNETISMO E OTTICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede le conoscenze di base dell'elettromagnetismo nel vuoto e nei mezzi materiali, nonché i fondamenti dell'ottica geometrica, rifrattiva e diffrattiva. Ha appreso alcuni concetti di analisi dei campi vettoriali ed è in grado di applicare i concetti generali e le leggi fondamentali alla soluzione di problemi

Contenuti

Prerequisiti. La frequenza del corso di Fisica Generale 1 (meccanica classica e termodinamica) sono essenziali per poter seguire proficuamente questo corso.

Elettrostatica.

Proprietà della carica elettrica: invarianza, conservazione, quantizzazione. Cenni ai limiti di applicazione della teoria classica dell'elettromagnetismo. Legge di Coulomb, teorema di Gauss e loro equivalenza. Esempi ed esperienze in aula: il pendolo di torsione e la derivazione della legge di Coulomb. Effetti triboelettrici.

Energia di un sistema di cariche elettriche. Campo elettrico (statico) e sue proprietà: conservatività e principio di sovrapposizione per il campo elettrico.
Potenziale del campo elettrico e sua unità di misura (volt). Esempi di semplici potenziali elettrostatici: filo rettilineo e piano con distribuzione uniforme di carica elettrica, dipolo. Esempi ed esperienze in aula: Visualizzazione di campi elettrici. Scariche elettriche nei gas. Tubo a raggi catodici. L’energia coesiva di NaCl. Arrangiamento degli atomi in un solido cristallino. Attrazione elettrostatica dell’acqua.

Conduttori ed isolanti. Campo elettrico e potenziale alla superficie ed all’interno di un conduttore elettrico. Distribuzioni continue di cariche. Densità di energia del campo elettrico.
Capacità elettrica e sua unità di misura (farad). Calcolo della capacità di lastre piane e parallele, di una sfera, di una coppia di sfere concentriche. Applicazioni scientifiche e tecnologiche della capacità elettrica di un conduttore. Esempi ed esperienze in aula: il Selenio fotoconduttore. Memorie veloci. La sintonia della radio.

Gradiente e sue proprietà matematiche. Derivazione del campo elettrico dal potenziale. Divergenza e rotore di un campo vettoriale. Legge di Gauss in forma puntuale. Rotore di un campo elettrostatico. Esempi ed esperienze in aula: valutazione del percorso migliore. Analogie con l’idraulica.

Cariche in movimento.

Correnti elettriche. Densità di corrente. Espressione matematica della conservazione della carica. Correnti stazionarie. Definizione di conduttore ohmico. Il modello di P. Drude per la conduzione nei metalli. Le scoperte di L. Galvani ed A. Volta. Pila voltaica. Accenni ai circuiti elettrici e leggi di Kirkhoff. Esempi ed esperienze in aula: pila Pb/PbO₂ e pila di Weston. Celle a combustibile. Conduttori non ohmici. Impulsi di corrente lungo le cellule del sistema nervoso.

Campo magnetico.

Forze tra fili percorsi da correnti. Forza di Lorentz. Campo di cariche elettriche in moto. Il campo magnetico come effetto relativistico. Equivalenza tra magneti e circuiti percorsi da corrente.

Richiami di relatività speciale. Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze.
Leggi di Ampere, Biot e Savart, Laplace. Derivazione di semplici forme di campi magnetici: filo rettilineo, spira circolare, solenoide. Densità di energia del campo magnetico.

Esempi ed esperienze in aula: l’esperimento di Oersted. Visualizzazione delle onde elettromagnetiche come perturbazione del campo elettrico (e magnetico). Disco rotante e suo effetto su un magnete. Il campo magnetico non compie lavoro.

Induzione elettromagnetica.

La scoperta di Michael Faraday. Flusso del campo magnetico e legge di Lenz. Campi elettrici non conservativi. Mutua induttanza ed autoinduttanza per circuiti elettrici. Equazioni di Maxwell. Scoperta della natura della luce ed onde elettromagnetiche. Vettore di Poynting e flusso di energia elettromagnetica.

Esempi ed esperienze in aula: Correnti parassite. Induzione di corrente in un circuito. Dinamo senza contatto. Motore elettrico. Generatore elettrico. Reti in DC o AC e guerra delle correnti. Chi compie il lavoro?

Campi elettrici nella materia.

Dipolo elettrico a livello molecolare. Forza agente su un dipolo elettrico. Dipoli indotti e dipoli intrinseci. Polarizzazione nella materia. Effetto di un dielettrico sulla capacità di materiali conduttori. Cariche libere e cariche legate. Il campo ausiliare D e la sua (in)utilità. Esempi ed esperienze in aula: Birifrangenza nello Spato d’Islanda (Calcite). Quarzo e trasduttori piezoelettrici.

Campi magnetici nella materia.

Proprietà magnetiche della materia: diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo. Momento di dipolo magnetico. Forza agente su un dipolo magnetico. Magnetizzazione della materia. Correnti libere e correnti legate. Il campo ausiliare H. Cenni ai domini magnetici. Curve di isteresi magnetica. Forze tra magneti permanenti. Esempi ed esperienze in aula: Forze agenti su diamagneti e paramagneti da parte di un ferromagnete. Levitazione magnetica.

Ottica

Ottica fisica: riflessione, interferenza e diffrazione, polarizzazione, battimenti.

Esempi ed esperienze in aula: Polarizzazione della luce, battimenti col cellulare.

Ottica geometrica: specchi e lenti. Piano focale e fuoco di una lente semplice. Immagini ed ingrandimento. Esempi ed esperienze in aula: misura della distanza focale di una lente. Camere iperspettrali. Fibre ottiche.

Testi/Bibliografia

Uno tra i seguenti testi. Ulteriori informazioni verranno date a lezione.

1) Edward M. Purcell and David J. Morin

Electricity and Magnetism Third Edition

Cambridge University Press

ISBN: 978-1-107-01402-2

2) Corrado Mencucci, Vittorio Silvestrini

Fisica Elettromagnetismo e Ottica

Editore CEA

ISBN:978-88-08-18661-4

3) Giancoli Fisica 2 (seconda edizione)

Editore CEA

ISBN: 978-88-08-18390-3

4) S. Focardi et al.

Fisica generale Elettromagnetismo 2a edizione

ISBN: 978-88-08-32015-5

Editore CEA

Metodi didattici

Lezioni classiche alla lavagna con esposizione degli argomenti. Esercizi in aula e dimostrazioni. In aggiunta visione e discussione di immagini e video scientifici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento consiste in una prova scritta ed in un colloquio orale. La capacità di risolvere semplici esercizi scritti sugli argomenti del corso è condizione per il superamento dell'esame.

Strumenti a supporto della didattica

Alle ordinarie lezioni in cui viene esposta la materia del corso, si aggiungono esercizi e dimostrazioni in aula di fenomeni elettromagnetici ed ottici.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Enrico Gianfranco Campari