Portale della Didattica

Fisica II

20AXPMN

A.A. 2024/25

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento

Didattica	Ore
Lezioni	45
Esercitazioni in aula	15

Docenti

Docente	Qualifica	Settore	h.Lez	h.Es	Anni incarico
Descrovi Emiliano - Corso 3	Professore Associato	PHYS-03/A	45	15	12
Iotti Rita Claudia - Corso 1	Professore Associato	PHYS-04/A	45	0	13
Raffa Francesco Antonino - Corso 2	Professore Ordinario	IIND-03/A	45	0	13

Collaboratori

Espandi

Docente	Qualifica	Settore	h.Lez	h.Es	h.Lab	h.Tut
Bosia Carla - Corso 1	Professore Associato	PHYS-02/A	0	15	0	0
Giaccone Paolo - Corso 2	Docente esterno e/o collaboratore		0	15	0	0

Didattica

SSD	CFU	Attivita' formative	Ambiti disciplinari
FIS/01 FIS/03	3 3	A - Di base A - Di base	Fisica e chimica Fisica e chimica

Statistiche superamento esami

Anno accademico di inizio validità

2023/24

Presentazione

L'insegnamento illustra le leggi fondamentali dell’Elettromagnetismo classico e della propagazione delle onde elettromagnetiche.

The course explains the fundamental laws of classical electromagnetism, including the propagation of light considered as an electromagnetic wave.

Risultati attesi

Lo scopo è di trasmettere le conoscenze di base relative a principi fisici, basi matematiche ed evidenze sperimentali dei fenomeni descritti dalle equazioni di Maxwell utilizzate nella loro forma integrale e differenziale. Sono trattati in particolare i fenomeni elettrostatici e magnetostatici, quelli induttivi e la propagazione delle onde elettromagnetiche. Le abilità acquisite dallo studente consistono nell’applicazione di tali conoscenze alla soluzione di problemi riguardanti i fenomeni elettromagnetici nei regimi stazionario e dipendente dal tempo e la propagazione delle onde elettromagnetiche. Le conoscenze e le abilità acquisite sono propedeutiche ai successivi insegnamenti di natura principalmente ingegneristica riguardanti circuiti elettrici e macchine elettriche.

Prerequisiti

La comprensione degli argomenti dell'insegnamento presuppone familiarità con gli strumenti matematici trattati negli insegnamenti di Analisi matematica I e II e di Algebra lineare e geometria, soprattutto con il calcolo integrale e differenziale delle funzioni di una o più variabili e l’algebra e il calcolo vettoriale. Strumenti e concetti appresi nel corso di Fisica I sono un prerequisito importante.

Programma

Calcolo vettoriale Campi scalari e vettoriali. L’operatore nabla. Gradiente, divergenza, rotore. Flusso e circuitazione di un campo vettoriale. Teorema del gradiente, teorema di Gauss, teorema di Stokes. Equazione di continuità. Campi elettrici stazionari Sintesi dei principali risultati dell’Elettrostatica (legge di Coulomb, campo elettrico, potenziale elettrico, distribuzioni discrete e continue di carica, moto di una carica in un campo elettrico uniforme). Il dipolo elettrico, forza e coppia su un dipolo elettrico in un campo elettrico uniforme. Legge di Gauss per il campo elettrico, applicazioni. La polarizzazione della materia, il vettore spostamento elettrico. Capacità elettrica, condensatori. Energia del campo elettrico. Conduttività elettrica, legge di Ohm, resistori, effetto Joule. La forza elettromotrice. Campi magnetici stazionari Forza magnetica su una carica in moto, forza di Lorentz. Moto di una carica in un campo magnetico uniforme. Il ciclotrone, lo spettrometro di massa, l’effetto Hall classico. Forza magnetica su una corrente elettrica, coppia magnetica su una spira rettangolare e di forma qualsiasi, momento di dipolo magnetico. Il momento di dipolo magnetico orbitale e di spin. Le sorgenti del campo magnetico: legge di Ampère-Laplace e sua applicazione a una corrente rettilinea (formula di Biot-Savart, forze fra correnti) e a una corrente chiusa circolare. Il solenoide di lunghezza indefinita, solenoide di lunghezza finita. Legge di Ampère. Legge di Gauss per il campo magnetico. La magnetizzazione della materia: fenomenologia, suscettività magnetica, materiali dia, para e ferromagnetici, prima e seconda legge di Curie, l’isteresi magnetica. Le equazioni di Maxwell in forma differenziale e integrale per campi stazionari. Campi elettromagnetici dipendenti dal tempo L’induzione elettromagnetica, legge di Faraday, moto relativo di un conduttore e di un campo magnetico. Autoinduzione. Transitori: i circuiti del primo ordine RL e RC. Circuiti accoppiati, mutua induzione. L’energia del campo magnetico. Il principio di conservazione della carica, la legge di Ampère-Maxwell. Le equazioni di Maxwell in forma differenziale e integrale per campi dipendenti dal tempo, nel vuoto e in presenza della materia. Onde elettromagnetiche Introduzione generale ai fenomeni ondulatori. Onde elettromagnetiche, loro deduzione dalle equazioni di Maxwell. Energia e quantità di moto delle onde elettromagnetiche, vettore di Poynting, pressione di radiazione. Polarizzazione delle onde elettromagnetiche. Spettro delle onde elettromagnetiche.

Vector Calculus Scalar and vector fields. The nabla operator. Gradient, divergence, cross product. Flux and circulation of a vector field. Gradient theorem, Gauss' and Stokes' theorems. Continuity equation. Stationary electric fields A summary of: Coulomb's law, electric field and potential, motion of a charge in a uniform electric field. Discrete and continuous charge distributions. The electric dipole, force and torque on an electric dipole in an electric field. Gauss' law for the electric field. Polarization of matter, the electric displacement vector. Capacity and capacitors. Energy of the electric field. Conductivity, Ohm's law, resistors, Joule's effect. The electromotive force. Stationary magnetic fields Magnetic force on a moving charge, Lorentz's force, motion of a charge in a uniform magnetic field. Cyclotron, mass spectrometer, the classical Hall effect. Magnetic force on electric currents, magnetic torque on rectangular and any shape circuits, magnetic dipole. Orbital and spin magnetic dipole. Sources of magnetic field: Ampère-Laplace's law, application to rectilinear (Biot-Savart's law, forces between currents) and circular loops. The indefinite solenoid, results for the finite solenoid. Ampère’s law. Gauss' law for the magnetic field. Magnetization of matter: phenomenology, magnetic susceptibility, diamagnetic, paramagnetic and ferromagnetic materials, first and second Curie's law, magnetic hysteresis. Maxwell’s equations in differential and integral forms for static fields. Time-dependent fields Electromagnetic induction, Faraday's law, relative motion of conductor and magnetic field. Self-induction. Transients: first-order circuits, RL and RC. Coupled circuits, mutual-induction. Energy of the magnetic field. The principle of conservation of charge, Ampère-Maxwell's law. Maxwell’s equations in differential and integral forms for time-dependent fields in vacuum and in matter. Electromagnetic waves Wave phenomena. Plane electromagnetic waves as solutions of Maxwell's equations. Energy, momentum, Poynting vector. Radiation pressure. Polarization of electromagnetic waves. Electromagnetic spectrum. Elements of wave propagation Laws of reflection and refraction, absolute and relative refraction index, total reflection. Wave propagation phenomena; interference phenomena.

Sustainable development goals

Assicurare a tutti l’accesso a sistemi di energia economici, affidabili, sostenibili e moderni

Costruire un'infrastruttura resiliente e promuovere l'innovazione ed una industrializzazione equa, responsabile e sostenibile

Note

Organizzazione dell'insegnamento

Sono previste esercitazioni in aula, a squadre, sugli argomenti delle lezioni. Per ciascuno dei problemi considerati sono illustrate e sviluppate la metodologia di analisi e le tecniche di calcolo per la soluzione. Le esercitazioni sono parte integrante del programma dell'insegnamento.

Bibliografia

Lezioni: testo di riferimento (ulteriori informazioni verranno fornite durante la prima lezione) P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, "Fisica, Elettromagnetismo - Onde, vol. II", EdiSES, Napoli, terza edizione, 2021. Lezioni: altri testi (ulteriori informazioni verranno fornite durante la prima lezione) - P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, "Elementi di Fisica: Elettromagnetismo - Onde, vol. II", EdiSES , Napoli, 2010. - H. D. Young, R. A. Freedman, A. L. Ford, "Principi di Fisica-Elettromagnetismo e Ottica", Pearson, 2016. - C. Mencuccini, V. Silvestrini, "Fisica 2 - Elettromagnetismo e Ottica", Casa Editrice Ambrosiana, 2017. Esercitazioni I testi consigliati per le lezioni contengono esercizi e problemi, anche svolti. Ulteriore materiale di supporto, a cura dei docenti, sarà messo a disposizione degli studenti mediante il portale della didattica. Altri eserciziari proposti sono i seguenti (uno a scelta): - G. A. Ummarino, "Esercizi svolti di Fisica II", CLUT, 2015. - P. Pavan, P. Sartori, "Problemi di Fisica II risolti e commentati", Casa Editrice Ambrosiana, 3a edizione, 2006. - A. Tartaglia, "Esercizi svolti di Elettromagnetismo e Ottica", Levrotto&Bella, Torino, 1986.

Materiale di supporto allo studio

Esercizi risolti;

Sostenimento anticipato dell’esame

E' possibile sostenere l’esame in anticipo rispetto all’acquisizione della frequenza

Criteri, regole e procedure per l'esame

Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; Prova orale obbligatoria;

Exam: Computer lab-based test; Compulsory oral exam;

... L'esame è finalizzato alla valutazione della capacità di risoluzione di esercizi e della comprensione degli argomenti teorici e si articola in: 1) un test obbligatorio al calcolatore tramite la piattaforma Exam, presso i Laib di ateneo; 2) una prova orale obbligatoria. 1) Il test ha la durata di quaranta minuti e consiste di quindici domande a risposta multipla, relative ad argomenti teorici e risoluzioni di esercizi. La prenotazione è obbligatoria: va effettuata attraverso il Portale della Didattica, rispettando le modalità e le scadenze stabilite dalla Segreteria Didattica. Durante la prova non è possibile consultare alcun tipo di materiale. Per accedere al test bisogna utilizzare le proprie credenziali di accesso (username, password) al Portale della Didattica. È esclusiva responsabilità degli studenti la verifica del possesso e della validità di tali credenziali personali. Per ciascuna domanda sono proposte quattro risposte: una giusta, tre sbagliate. La risposta giusta vale +2, ogni risposta sbagliata vale -2/3; ogni risposta non data vale 0. A test concluso, il punteggio ottenuto, PTEST, è immediatamente visibile sullo schermo del calcolatore. L’esito del test, PTEST, è considerato positivo con PTEST ≥ 15/30, arrotondando all’intero più vicino. Ai fini dell’ammissione alla prova orale il punteggio PTEST è incrementato con un bonus di 3/30, ossia P = PTEST + 3/30. 2) Per la prova orale, si possono presentare i seguenti casi: • 18/30 ≤ P < 23/30: lo studente accede a una prova orale di verifica. La prova orale di verifica verte sugli argomenti oggetto dei quindici quesiti del test; la scelta dei quesiti oggetto della prova orale di verifica è a discrezione della Commissione d’esame. L’esito va dalla bocciatura ad un voto finale massimo pari a P. • P ≥ 23/30: lo studente può scegliere tra la prova orale di verifica, descritta al punto precedente, con esito dalla bocciatura al voto finale massimo di 23/30, e la prova orale tradizionale. La prova orale tradizionale verte sull’intero programma dell'insegnamento e puo` essere eventualmente sostenuta anche in modalita` scritta con successiva discussione; l’esito finale va dalla bocciatura a 30/30 e lode. N.B. La prova orale deve essere sostenuta nello stesso appello in cui è stato superato il test, pena la decadenza della validità del test stesso.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.

MODE A (prof. Iotti and prof. Barbero) The examination consists of two parts (both compulsory): 1) first a test-on-line at the Politecnico's LAIB; 2) then an oral examination. 1) The LAIB test lasts one hour and consists of thirty multiple-answer questions, concernign both theoretical topics and exercises. Reservation is mandatory and is to be done online through the Portale della Didattica, according to the procedures and within the deadlines set out by the Politecnico Didactic Secretary. Students must show their personal Politecnico badge and a valid ID card to be admitted at the LAIB for the test. To start the test, students have to login with their personal Politecnico credentials. Consulting any kind of book or material is forbidden during the test. The LAIB test is a multiple-choice exam. A choice between five answers is given for each question: a right one (score +1) and three wrong ones (penalty score -1/3). The total test score PTEST is automatically calculated and shown immediately after submittance 15/30 or higher are admitted to the oral examination. Students with PTEST ≥ 15/30 are admitted to the oral examination, with a score P = PTEST + 3/30 (extra bonus). 2) Students with P ≥ 18/30 are admitted to the oral examination. In particolar: • if 18/30 ≤ P < 23/30, the student can perform only a validation oral exam, whose final grade ranges from failure to P; • if P ≥ 23/30, the student can choose between the validation oral exam (with highest possible final grade 23/30) and a traditional oral exam (final grade ranging from failure to 30/30 e lode). Please note: The oral exam must be taken within the same “appello” in which the LAIB test has been passed. After this deadline, the LAIB test score won't be valid any more and a new test must be passed. ----------------------------------------- MODE B (prof. Barbero) The exam is divided into: 1) a written test consisting of three exercises, mandatory; 2) a written test of theory, which consists of three questions, mandatory; 3) an optional oral exam. To access the theory test, the test score on the exercises must be greater than or equal to 15/30. The exercises will be taken from those proposed in the book P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Elementi di Fisica: Elettromagnetismo - waves, vol. II, EdiSES, Napoli, 2010. Questions related to the theory test will be communicated before the Christmas holidays. To pass the exam also the theory test must be sufficient. The final grade will be the arithmetic average, approximated by excess, of the two tests. N.B. The tests must be all taken within the same 'appello'.