CORSO DI
MATERIALI
E
TECNOLOGIE ELETTRICHE
Prof. Giovanni Lupò
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università di Napoli Federico II
Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica – III anno – II semestre
a.a. 2009/10
–I-
COLLEGAMENTI DISCIPLINARI
MATERIALI
Proprietà
Fenomenologia
elettrica e magnetica
(FISICA)
Tecnologie
APPLICAZIONI
industriali
Campi scalari
e vettoriali
Progettazione
Collaudi e verifiche
Analisi matematica
Calcolo differenziale ed integrale
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APPROCCIO METODOLOGICO
• Proprietà dei materiali
• Condizioni operative
• Sollecitazioni sui materiali (stress meccanico, termico,
elettrico, chimico,…)
• Tecnologie ottimali per la realizzazione e l’impiego di
componenti
• Valutazione della sollecitazione limite (strength) in
transitorio e nel medio e lungo termine
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SOLLECITAZIONI ELETTRICHE E MAGNETICHE
• Forza di Lorentz
F q Et v B
• Et campo “elettrico” totale
• B campo “magnetico”
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EQUAZIONI DI MAXWELL
forma integrale
d
B n dS
E t dl dt
S
Legge dell’induzione elettromagnetica
(Faraday-Neumann)
Q
E n d
Legge di Gauss
o
B n d 0
Conservazione del flusso
E
B
t
dl
J
n dS
o
o
t
S
Legge di Ampère- Maxwell
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5
EQUAZIONI DI MAXWELL
forma locale
B
E
t
E
0
B 0
E
B 0 J 0
t
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EQUAZIONI DI MAXWELL
campi scalari e vettoriali
• (P)
densità volumetrica di carica - campo scalare
• J(P) densità di corrente di conduzione – campo vettoriale
E D
Js
• o
t
t
densità di corrente di “spostamento”
• B
campo magnetico legato alle correnti di conduzione e spostamento
• E
campo elettrico legato alla distribuzione di carica volumetrica e a
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B
t
7
EQUAZIONI DI MAXWELL
(forma locale)a
sorgenti
Parte 4
• (P)
densità volumetrica di carica (“fontane”)
• J(P) densità di corrente di conduzione ( “macro” + “nano”)(“vortici”)
• o
E D
Js
t
t
densità di corrente di “spostamento”(“vortici”)
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8
a E MAGNETICHE
SOLLECITAZIONI ELETTRICHE
effetti
Parte 5
• Et accelerazione lineare/ deformazione
• B deviazione di particella in moto, azioni (integrali)
ponderomotrici su conduttori interessati da corrente,
principio del motore elettrico, principio dell’alternatore
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PROPRIETA’ FONDAMENTALI
DEI MATERIALI
• Tavola periodica degli elementi (-1865)
• Mendeleev
• “Numeri” notevoli
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10
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11
C
Atomo
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12
Modello di BOHR
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“Numeri” notevoli
unità di massa atomica [u],[Da] pari a circa un dodicesimo dell’atomo di 12C
↔1,660565 10-27 kg
massa dell’elettrone a riposo ≈1030 kg
carica elementare : |e|=1.6 10-19 C
elettronvolt: energia pari a 1.6 10-19 J
Numero atomico
Mole: numero atomico espresso in grammi
Numero di Avogadro: numero per atomi per mole : 6,022 1023
Velocità della luce
c3 108 m/s
Costante di Planck
h = 6.628 1034 J s
W=h
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EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER (I)
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EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER (II)
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Numero quantico l
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17
Numero quantico l
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18
Numero quantico ml
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PRINCIPIO DI ESCLUSIONE
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Configurazione elettronica
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21
DATI ELEMENTARI
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LE UNITÀ DI MISURA DEL SISTEMA
INTERNAZIONALE (2007)
Le unità di misura fondamentali
Quantità fisica
Simbolo della quantità fisica
Nome dell'unità SI
Simbolo dell'unità SI
lunghezza
massa
tempo
corrente elettrica
temperatura termodinamica
quantità di sostanza
intensità luminosa
l
m
t
I, i
T
n
IV
metro
chilogrammo
secondo
ampere
kelvin
mole
candela
m
kg
s
A
K
mol
cd
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23
•Il metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un
intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 di secondo (1983).
•Il chilogrammo è la massa di un particolare cilindro di altezza e diametro pari
a 0,039 m di una lega di platino-iridio depositato presso l'Ufficio internazionale
dei pesi e delle misure a Sèvres, in Francia. (1875)
•Il secondo è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione
corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3,
MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133 (1967).
• L’ ampere è l'intensità di corrente elettrica che, se mantenuta in due conduttori
lineari paralleli, di lunghezza infinita e sezione trasversale trascurabile, posti a
un metro di distanza l'uno dall'altro nel vuoto, produce tra questi una forza pari
a 2 • 10-7 newton per metro di lunghezza. (1946)
• Il kelvin è definito come 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto
triplo dell'acqua. (1862)
• La mole viene definita come la quantità di sostanza di un sistema che contiene
un numero di entità elementari pari al numero di atomi presenti in 12 grammi di
carbonio-12 (numero di Avogadro: 6,022 • 1023) . (1971)
•La candela è pari all'intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente
emettente una radiazione monocromatica di frequenza pari a 540 • 1012 hertz e
di intensità radiante in quella direzione di 1/683 di watt per steradiante (1982).
•
•Si riportano le definizioni ufficiali. Ovviamente esistono campioni di riferimento “storici” (vedi museo di
Sèvres) di interesse praticamente immutato dal punto di vista “ingegneristico”.
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Le unità di misura derivate (di interesse elettrotecnico)
Quantità fisica
Simbolo Nome
dell'unità SI
frequenza
f, ν
forza
F
h
e
r
t z
Simbolo
dell'unità SI
H
newton
s−1
z
N
kg · m ·
s−2
pressione, sollecitazione
p
pascal
Pa
N · m−2
energia, lavoro
E
joule
J
N·m
potenza, flusso radiante
P, W
watt
W
J · s−1
carica elettrica
q
coulomb
C
A·s
tensione elettrica, potenziale
v
Volt
V
J · C−1
resistenza elettrica
R
Ohm
Ω
V · A−1
conduttanza elettrica
G
Siemens
S
A · V−1
capacità elettrica
C
Farad
F
C · V−1
T
V · s ·
m−2
induzione magnetica
flusso magnetico
i n
d
u
t t a
n
z
B
Φ(B)
a
Tesla
w
e
h
e
b
n
e
r
r
W
T
angolo piano
φ, θ
a
Ω
n
f l u
i l l u
g
o
s
s
m
l o
o
i n
s
o
l i d
l u
m
i n
a
m
e
o
o
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s
o
t o
H
kelvin
r
a
d
s
t e
l u
m
l u
x
i a
r
a
e
n
d
t e
i a
n
t e
n
attività di un radionuclide
D
·
°C
K
r
a
1
s
r
1
l m
c
d
c
d
d
l x
rifrazione
V
s
V · s ·
A−1
y
L
temperatura
b
·
·
r
s
r
·
m−2
diottria
D
m−1
becquerel
Bq
s−1
dose assorbita
gray
Gy
CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -Idose equivalente
sievert
Sv
s
J · kg−1
J · kg−1
25
Prefissi
Prefisso
Simbolo Nome
Equivalente decimale
1024
yotta
Y
Quadrilione
1 000 000 000 000 000 000 000 000
1021
zetta
Z
Triliardo
1 000 000 000 000 000 000 000
1018
exa
E
Trilione
1 000 000 000 000 000 000
1015
peta
P
Biliardo
1 000 000 000 000 000
1012
tera
T
Bilione
1 000 000 000 000
109
giga
G
Miliardo
1 000 000 000
106
mega
M
Milione
1 000 000
103
kilo o chilo k
Mille
1 000
102
etto
h
Cento
100
10
deca
da
Dieci
10
10−1
deci
d
Decimo
0,1
10−2
centi
c
Centesimo
0,01
10−3
milli
m
Millesimo
0,001
10−6
micro
µ
Milionesimo
0,000 001
10−9
nano
n
Miliardesimo
0,000 000 001
10−12
pico
p
Bilionesimo
0,000 000 000 001
10−15
femto
f
Biliardesimo
0,000 000 000 000 001
10−18
atto
a
Trilionesimo
0,000 000 000 000 000 001
10−21
zepto
z
Triliardesimo
0,000 000 000 000 000 000 001
10−24
yocto
y
Quadrilionesimo 0,000 000 000 000 000 000 000 001
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UNITÀ DI MISURA TOLLERATE NEL SI
Nome
Simbolo
Equivalenza in termini di unità fondamentali
SI
minuto
min
1 min = 60 s
ora
h
1 h = 60 min = 3 600 s
giorno
d
1 d = 24 h = 86 400 s
grado
°
1° = (π/180) rad
′
1
′
″
1
″
m
i n
p
r i m
s e c o
u
t o
=
( 1
/ 6
) °
=
( π
/ 1
0
0 ) ′
=
( π
/ 6
4
0
8
0
0 )
r a
0
0
)
d
o
n
d
o
L
=
( 1
/ 6
8
0
r a d
1 L = 1 dm3 = 10-3 m3
l i t r o
l ,
tonnellata
t
1 t = 103 kg
neper
Np
1 Np = 1
bel
B
1 B = (1/2) ln 10 (Np)
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Unità (non appartenenti al SI) accettate perché più precise
Nome
Simbolo
Equivalenza in termini di unità fondamentali SI
elettronvolt
eV
1 eV = 1,602 177 33(49) · 10–19 J
unità di massa atomica
u
1 u = 1,660 540 2(10) · 10–27 kg
unità astronomica
ua
1 ua = 1,495 978 70(30) · 1011 m
Un elettronvolt (simbolo eV) è l'energia acquistata da un elettrone libero nel suo
spostamento tra due punto a potenziale differente per un volt.Un elettronvolt è un
quantitativo molto piccolo di energia: 1 eV = 1,602 176 46 × 10-19 J.
L’Unità Astronomica (U.A., o semplicemente UA) è un'unità di misura circa pari alla
distanza media tra il pianeta Terra e il Sole
L'unità di massa atomica unificata (u) detta anche dalton (Da) è una unità di misura
utilizzata solitamente per esprimere la massa di atomi (massa atomica) e molecole
(massa molecolare). Essa è definita come la dodicesima parte della massa di un atomo
di carbonio-12 (12C).
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Altre unità non SI accettate in ambiti commerciali, legali,
e nella navigazione.
Queste unità dovrebbero essere definite in relazione al SI in ogni documento
in cui vengono usate. Il loro uso è scoraggiato.
Nome
Simbolo Equivalenza in termini di unità fondamentali SI
miglio nautico nm
1 miglio nautico =1 852 m
nodo
kn
1 nodo = 1 miglio nautico all'ora = (1 852/3 600) m/s
ara
a
1 a = 1 dam2 = 102 m2
ettaro
ha
1 ha = 1 hm2 = 104 m2
bar
bar
1 bar = 0,1 MPa = 100 kPa = 1 000 hPa = 105 Pa
angstrom
Å
1 Å = 0,1 nm = 10-10 m
barn
b
1 b = 100 fm2 = 10-28 m2
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