Obiettivi Formativi

Acquisizione di conoscenze di base sull’elettromagnetismo classico. Conoscenza dei fenomeni, capacità di descriverli e analizzarli utilizzando modelli, adeguati strumenti matematici e leggi fisiche.

Learning Goals

Acquisition of basic knowledge on classic electromagnetism. Knowledge of the relevant phenomena, ability to describe and analyze them using models, suitable mathematical tools and physical laws.

Metodi didattici

Lezioni frontali con esercitazioni. Simulazioni interattive. Video didattici disponibili online. Esempi basati sull’uso di software libero: calcoli e rappresentazione grafica di grandezze fisiche usando il linguaggio Python e Jupyter Notebook. Dimostrazioni e semplici esperimenti didattici. Esperimenti basati sui sensori dello smartphone.

Teaching Methods

Lectures and tutorials Simulations and interactive tutorials. Educational videos available online. Examples based on open-source software: calculations and graphical representation of the physical variables using Python language and Jupyter Notebook. Demonstrations and simple educational experiments. Experiments exploiting internal sensors of the smartphone.

Prerequisiti

Conoscenze di Fisica dibase (meccanica,termodinamica). Conoscenze di basedicalcolo vettorialee differenziale

Prerequisites

Basic Physics knowledge (mechanics, thermodynamics). Basics of Vector and Differential Calculus

Verifiche dell'apprendimento

Prova scritta ed esame orale. La prova scritta è volta a mettere in luce la conoscenza dei concetti di base e la capacità di svolgere esercizi e risolvere problemi. L'esame orale si basa su un colloquio sugli argomenti del corso. Può essere richiesto di presentare un argomento, di dimostrare teoremi o risultati importanti inclusi nel programma, oppure di discutere un esempio di applicazione delle leggi fisiche con valutazioni numeriche delle grandezze coinvolte. Prove in itinere (opzionali) di cui si terrà conto nella valutazione finale: seminari, tenuti da singoli studenti o da piccoli gruppi di studenti, per esplorare esempi ed argomenti attinenti alla materia ed al percorso formativo, concordati con il docente. Elementi di valutazione: conoscenza e comprensione degli argomenti; capacità di esposizione e proprietà di linguaggio; capacità di applicare le conoscenze acquisite per discutere gli esempi o gli esercizi proposti.

Assessment

The assessment is based on a written exam and on an oral exam. The written exam is aimed at highlighting the knowledge of basic concepts and the ability to perform exercises and solve problems. The oral exam is an interview on the course topics. It may be required to present a topic, to demonstrate theorems or important results included in the program, or to discuss an example of the application of physical laws with numerical evaluations of the quantities involved. Ongoing tests (optional) which will be taken in account in the final evaluation: seminars, held by individual students or small groups of students, to explore examples and topics related to the subject and the training path, agreed with the professor. Elements of evaluation: knowledge and understanding of the topics; exposure skills and appropriate use of scientific language; ability to apply the knowledge acquired to discuss the examples or exercises proposed.

Programma del Corso

Isolanti e conduttori. Struttura elettrica della materia. Induzione elettrostatica. Legge di Coulomb. Campo elettrico. Campo elettrostatico generato da distribuzioni di carica. Linee di campo. Lavoro della forza elettrica. Potenziale elettrico ed energia potenziale. Energia potenziale di un sistema di cariche. Conservazione dell'energia per una carica in moto in un campo elettrostatico. Energia di legame dell'elettrone nell'atomo di idrogeno. Il campo come gradiente del potenziale. Potenziale e campo elettrico generati da un dipolo. Dipolo in un campo elettrico uniforme. Legge di Gauss per il campo elettrico. Calcolo del campo elettrico e del potenziale generati da distribuzioni di carica. Legge di Gauss in forma differenziale. Divergenza. Rotore. Teorema di Stokes. Equazioni di Maxwell per l'elettrostatica. Conduttori in equilibrio. Teorema di Coulomb. Induzione elettrostatica. Capacità di un conduttore isolato. Condensatori. Collegamento di condensatori in parallelo e in serie. Lavoro di carica di un condensatore. Dielettrici. Costante dielettrica. Polarizzazione dei dielettrici. Conduzione elettrica. Densità dei portatori di carica nei metalli. Corrente elettrica. Densità di corrente. Proprietà delle correnti stazionarie. Modello classico della conduzione elettrica (Drude-Lorentz). Legge di Ohm in forma vettoriale. Conducibilità. Resistività. Resistenza elettrica. Superconduttori. Effetto Joule. Resistori in serie e in parallelo. Forza elettromotrice. Resistenza interna di un generatore. Circuito RC. Leggi di Kirchhoff per le reti elettriche. Forze magnetiche. Campo magnetico. Legge di Gauss per il campo magnetico. Seconda equazione di Maxwell. Forza di Lorentz. Forza magnetica su un conduttore percorso da corrente. Momento meccanico agente su una spira in un campo magnetico uniforme. Principio di equivalenza di Ampère. Effetto Hall. Campo magnetico prodotto da una corrente. Legge di Biot-Savart. Forza magnetica fra due conduttori paralleli percorsi da corrente. Legge di Ampère. Legge di Ampère in forma locale. Campo magnetico prodotto da una spira circolare. Solenoide rettilineo indefinito. Momento magnetico orbitale dell'elettrone. Flusso tra circuiti. Autoflusso. Coefficiente di autoinduzione e di mutua induzione. Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. Legge di Lenz. Terza equazione di Maxwell. Generatore di forza elettromotrice sinusoidale. Autoinduzione. Circuito RL. Energia magnetica. Induzione mutua. Corrente di spostamento. Legge di Ampère-Maxwell. Quarta equazione di Maxwell. Correnti alternate. Circuito LC. Circuito RLC serie: regime transitorio. Analogia elettromeccanica. Circuito RLC serie alimentato da un generatore di f.e.m. sinusoidale. Impedenza. Risonanza. Fasori. Metodo simbolico per lo studio dei circuiti in corrente alternata. Collegamenti in serie e in parallelo. Ammettenza. Potenza nei circuiti in corrente alternata. Valori efficaci. Onde piane armoniche. Onde elettromagnetiche piane (come soluzione delle equazioni di Maxwell). Onde polarizzate. Spettro della radiazione elettromagnetica. Energia associata all'onda elettromagnetica. Vettore d'onda. Onde in più dimensioni. Riflessione e rifrazione di onde elettromagnetiche; riflessione totale. Dispersione

Course Syllabus

Conductors, insulators. Size and structure of atoms. Induction. Coulomb’s law. The superposition principle. Electric field. Electric field of distributed charges. Electric field lines. Work done by electric force. Electric potential and potential difference. Electric potential energy. Conservation of energy for a moving charge in an electrostatic field. Ionization Energy. Calculating the electric field from the electric potential. Equipotential surfaces. Electric potential and field of an electric dipole. A dipole in a uniform electric field. Gauss’s law for the electric field. Electric field and electric potential of a continuous charge distribution. Divergence. Differential form of Gauss’s law. Curl. Circulation and Stokes’ theorem. Maxwell’s equation for electrostatics. Conductors in electrostatic equilibrium. Induced charges. Capacitance of an isolated charged conductor. Capacitors. Combinations of capacitors: parallel; series. Energy stored in a charged capacitor. Dielectrics. Dielectric constant. Dielectric strength. Polarization. Charge motion in metals. Density of charge carriers in metals. Electric current. Current density. Steady currents. Microscopic model of current (Drude-Lorentz). Ohm’s law. Conductivity. Resistivity. Resistance. Electrical power. Joule heating. Series resistors. Parallel resistors. Electromotive force. Internal resistance. RC circuit. Kirchhoff node rule. Kirchhoff loop rule. Magnetic forces. Magnets. Magnetic field. Gauss’s law in magnetism. Maxwell’s second equation. Lorentz force. Magnetic force acting on a current-carrying conductor. Torque on a current loop in a uniform magnetic field. The Hall effect. Magnetic field due to a current. The Biot-Savart law. Magnetic field due to a single moving charge. The magnetic force between two parallel conductors. Ampère’s law and applications. Magnetic field of a loop. The magnetic field of a solenoid. Magnetic dipole moment of an orbiting electron. Magnetic flux between circuits. Faraday’s law of induction. Lenz’s law. Motional emf. Third Maxwell’s equation. Generators. Self-induction and inductance. RL circuits. Inductance of a solenoid. Energy in a magnetic field. Mutual inductance. Displacement current. Ampère-Maxwell law. Fourth Maxwell’s equation. Alternating-current circuits. Oscillations in an LC circuit. Electro-mechanical analogy. Time-dependent current in the RLC circuit: underdamped, overdamped, critically damped. Driven RLC circuit. Impedance. Resonance. Phasors. Complex exponential notations for voltages and currents. Admittance. Power in an ac circuit. Root-mean-square values of current and voltage. Plane waves. One-dimensional wave equation. Sinusoidal plane waves. Standing waves. Electromagnetic plane waves as a solution of Maxwell’s equations. Electric field and magnetic field of an electromagnetic wave. Polarized waves: linearly polarized waves; circular polarization. The spectrum of electromagnetic waves. Energy carried by electromagnetic waves. Wave vector. Wavefront. Waves in 2D and 3D: spherical and cylindrical waves. Reflection and refraction; total internal reflection. Dispersion.