Campi elettromagnetici - Anagrafica della Ricerca, Prodotti della
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Insegnamento Campi Elettromagnetici Livello e corso di studio Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Industriale – Curriculum Elettronico Settore scientifico disciplinare (SSD) ING-INF/02 Anno di corso 3 Numero totale di crediti 9 Propedeuticità Elettronica Docente Mirko Barbuto Facoltà: Ingegneria Nickname: barbuto.mirko (da utilizzare per i contatti in piattaforma) Email: [email protected] (solo per comunicazioni interne e amministrative) Orario di ricevimento: consultare il calendario delle videoconferenze presente nel sito dell’ateneo. Durante il ricevimento sarà possibile incontrare il docente presso la sede di via Don Carlo Gnocchi o in videoconferenza sulla piattaforma telematica. Il primo ricevimento di ogni mese sarà tenuto all'interno del corso "Campi elettromagnetici - prof. Barbuto" mentre tutti gli altri all'interno del corso "Campi elettromagnetici - prof. Barbuto - videoconferenze TELEMATICO INTEGRATO". Obiettivi formativi Il corso di campi elettromagnetici ha come obiettivo formativo principale quello di fornire le conoscenze di base dell'elettromagnetismo. I concetti fondamentali di elettrostatica e magnetostatica, tipicamente presentati nei corsi di fisica, verrano ripresi e sviluppati per giungere alla presentazione delle equazioni di Maxwell in forma integrale ed in forma differenziale. La teoria delle onde elettromagentiche sarà poi utilizzata per descrivere i principi fondamentali della propagazione libera, della propagazione guidata e della radiazione elettromagnetica. Particolare risalto sarà dato agli aspetti ingegneristici per l'analisi ed il progetto di semplici sistemi elettromagnetici orientati ad applicazioni nell'elettronica e nelle telecomunicazioni. Risultati di apprendimento attesi Conoscenza e capacità di comprensione Lo studente al termine del Corso avrà conoscenza della teoria delle onde elettromagnetiche e dei principi fisici fondamentali per la generazione, propagazione e ricezione di onde elettromagnetiche. In particolare, lo studente sarà in grado di comprendere le implicazioni delle equazioni di Maxwell, in forma integrale ed in forma differenziale, e di applicare tali concetti allo studio delle linee di trasmissione, alla propagazione per onde piane, alla propagazione guidata ed ai fenomeni di radiazione. Utilizzazione delle conoscenze e della capacità di comprensione Lo studente sarà in grado di utilizzare la teoria elettromagnetica ed i relativi strumenti analitici per costruire modelli semplificati dei problemi elettromagnetici, con particolare riferimento al contesto delle linee di trasmissione, alla propagazione in guida d’onda ed alla radiazione elettromagnetica. Sarà inoltre in grado di utilizzare tali modelli per valuare e quantificare le grandezze richieste. Capacità di trarre conclusioni Lo studente sarà in grado di individuare i modelli più appropriati per descrivere i singoli blocchi funzionali di un sistema elettromagnetico complesso (es. generatore, linea di trasmissione, elemento radiante) e di applicare metodi di verifica critica dei risultati ottenuti. Abilità comunicative Lo studente sarà in grado di descrivere e sostenere conversazioni sui modelli fisico/matematici per l’analisi di applicazioni basate sulla propagazione di onde elettromagnetiche, individuando correttamente le grandezze fisiche rilevanti, e adoperando una terminologia adeguata. 1 Capacità di apprendere Lo studente al termine del corso avrà appreso la teoria elettromagnetica e le relative tecniche di analisi, e sarà in grado di distinguere tra l’approccio circuitale a parametri concentrati (tipico dell’elettrotecnica) e l’approccio a parametri distribuiti o quello basato sull’utilizzazione dei campi elettromagnetici. Tutto ciò gli consentirà di proseguire gli studi ingegneristici con maggiore maturità e gli fornirà le basi per poter apprendere quanto verrà proposto nei corsi specialistici di elettromagnetismo (es. antenne e microonde). Prerequisiti Buona padronanza dei concetti fondamentali di matematica, elettrotecnica e fisica; a tal fine, si possono utilizzare i testi già consultati per la preparazione dei relativi esami sostenuti negli anni precedenti. Contenuti del corso Il regolamento didattico del Corso di Laurea prevede che lo studente sia in grado di prepararsi a sostenere l’esame nell’arco di un periodo di 12 settimane. Nel programma che segue, il docente suggerisce una scansione temporale per la preparazione di ogni macroargomento del programma. Accanto a tale scansione temporale, si trova un’indicazione con i moduli di riferimento e i relativi test di autovalutazione. Modulo 1 – Richiami di matematica e geometria (Settimane 1-2; Parte Prima; Test Parte Prima) Numeri complessi; algebra matriciale; vettori; campi scalari e vettoriali; sistemi di coordinate. Modulo 2 – Fondamenti della teoria elettromagnetica di Maxwell (Settimane 3,4; Parte Seconda; Test Parte Seconda) Equazioni fondamentali del campo elettromagnetico; condizioni al contorno; notazione complessa e vettori complessi; polarizzazione di un campo vettoriale: lineare, circolare, ellittica; teoremi fondamentali; relazioni costitutive e proprietà elettromagnetiche dei materiali. Modulo 3 – Onde piane (Settimane 5-7; Parte Terza; Test Parte Terza) Equazione di Helmholtz omogenea; funzioni d’onda; onde piane; proprietà generali delle onde piane; onda piana uniforme non attenuata; onda piana non uniforme attenuata perpendicolarmente alla direzione di propagazione; onda piana uniforme attenuata; spettro di onde piane; onde piane non monocromatiche: velocità di battimento; velocità di gruppo di un pacchetto d’onda; riflessione e trasmissione di onde piane da una interfaccia piana: incidenza normale; riflessione e trasmissione di onde piane da un’interfaccia piana: incidenza obliqua; riflessione totale ed angolo di Brewster. Modulo 4 – Linee di Trasmissione (Settimane 8-10; Parte Quarta; Test Parte Quarta) Introduzione sulle linee di trasmissione; equazioni delle linee di trasmissione; onde progressive e stazionarie; impedenza ed ammettenza di linea; impedenza caratteristica e costante di propagazione; impedenza d’ingresso; coefficiente di riflessione e rapporto d’onda stazionaria; adattamento di una linea di trasmissione, trasformatore in quarto d’onda, problemi di adattamento; abaco di Smith. Modulo 5 – Radiazione elettromagnetica (Settimane 11-12; Parte Quinta; Test Parte Quinta) Funzione di Green per lo spazio libero; potenziali elettrodinamici; dipolo di Hertz; introduzione alle antenne; caratteristiche elettriche e radiative. Materiali di studio · MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE Il materiale didattico presente in piattaforma è suddiviso in 5 moduli. Essi ricoprono interamente il programma e ciascuno di essi contiene dispense, slide e videolezioni in cui il docente commenta le slide. Tale materiale contiene tutti gli elementi necessari per affrontare lo studio della materia. Testi consigliati: · G. Gerosa e P. Lampariello, “Lezioni di campi elettromagnetici”, Ed. Ingegneria 2000, Roma, 1995. Metodi didattici Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ognuna delle lezioni. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove i docenti e/o i tutor individuano i temi e gli argomenti più significativi dell’insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti. In piattaforma è possibile accedere alle classi virtuali, supervisionate dal docente. All'interno della classe virtuale gli studenti possono collaborare allo sviluppo di progetti comuni, discutere nei forum, supportarsi a vicenda nella comprensione dei contenuti e nello sviluppo degli elaborati. Le classi virtuali rappresentano quindi uno strumento di grande importanza del processo di apprendimento ed hanno come scopo principale quello di favorire il dialogo e il confronto tra gli studenti che, in un determinato periodo didattico, stanno preparando il medesimo esame. Gli studenti sono dunque fortemente incoraggiati a partecipare attivamente all’attività del forum. 2 Modalità di verifica dell’apprendimento L’esame consiste di norma nello svolgimento di una prova orale e/o scritta tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti. La prova orale consiste in un colloquio tendente ad accertare il livello di preparazione dello studente. La prova scritta (della durata di 90 minuti) prevede la trattazione teorica, in forma scritta, di due argomenti del corso. Ogni risposta verrà valutata (da un minimo di 0 ad un massimo di 16 punti) in base ai seguenti parametri: attinenza al quesito (6 punti), completezza delle informazioni (6 punti), modalità di sviluppo dell'argomento (4 punti). Programma ridotto Gli studenti che, a seguito dell’avvenuto riconoscimento di un esame affine, sostenuto in una precedente carriera accademica, devono sostenere l’esame di Campi Elettromagnetici in forma ridotta (e non da 9 c.f.u.), saranno esaminati soltanto su una parte degli argomenti del corso da concordare con il docente. Criteri per l’assegnazione dell’elaborato finale L’assegnazione dell’elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 – Lezione 1 Numeri complessi: storia, definizione e relative operazioni (complesso coniugato, norma, reciproco, forma polare, radice n-sima, potenza, esponenziale, logaritmo naturale). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 2 Algebra delle matrici: somma tra matrici, moltiplicazione di una matrice per uno scalare, prodotto tra due matrici, trasposizione di una matrice, determinante, particolari tipi di matrici · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 3 Algebra delle matrici: definizione di minore, rango, element aggiunto, matrice aggiunta e matrice inversa; applicazione delle matrici ai sistemi lineari · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 4 Vettori: definizione di vettore, somma di due vettori, opposto di un vettore, prodotto tra vettori · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 5 Campi scalari e vettoriali, campi conservativi e campi solenoidali, flusso di un campo vettoriale, teorema di Gauss, divergenza di un campo vettoriale, integrale di linea e circuitazione · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 6 Teorema di Stokes, rotore di un campo vettoriale, potenziale scalare, gradiente di un campo scalare, teorema del gradiente, potenziale vettore · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 7 Operatore nabla e sistemi di coordinate (sistema di coordinate cartesiane, sistema di coordinate cilindriche, passaggio di coordinate cartesiane-cilindriche, sistema di coordinate sferiche, passaggio di coordinate cartesianesferiche) · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 8 Matrici di trasformazione, operatori differenziali nei diversi sistemi di riferimento, identità vettoriali comuni · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 1 Tappe principali dello sviluppo della teoria elettromagnetica, equazioni fondamentali del campo elettromagnetico in forma differenziale; grandezze relative al campo e.m., proprietà di dualità · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 2 Corrente di conduzione e corrente di spostamento, sorgenti inmpresse nelle equazioni di Maxwell, equazioni di Maxwell in forma integrale, significato fisico delle equazioni di Maxwell, termine di Maxwell · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 3 Condizioni al contorno del campo elettromagnetico · Materiali didattici a cura del docente 3 Modulo 2 – Lezione 4 Notazione complessa e vettori complessi; polarizzazione di un campo vettoriale: lineare, circolare, ellittica · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 5 Equazioni di Maxwell nel dominio dei vettori complessi; relazioni costitutive · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 6 Teoremi fondamentali: Teorema di Poynting · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 7 Teoremi fondamentali: Teorema di unicità · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 1 Derivazione dell’equazione di Helmholtz nel dominio del tempo; equazione di Helmhotz nel dominio della frequenza · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 2 Soluzione dell’equazione di Helmholtz in coordinate cartesiane ed in coordinate cilindriche · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 3 Soluzione dell’equazione di Helmholtz in coordinate sferiche; Determinazione del campo elettrico vettoriale a partire dalla soluzione dell’equazione di Helmholtz in coordinate cartesiane · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 4 Definizione di onda piana, sferica, cilindrica; definizione di onda uniforme; definizione del vettore di fase, velocità di fase e di gruppo · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 5 Caratteristiche di propagazione e di polarizzazione delle onde piane · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 6 Onda piana uniforme in mezzo non dissipativo, onda piana non uniforme in mezzo non dissipativo · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 7 Onda piana uniforme in mezzo dissipativo, spettro di onde piane · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 1 Introduzione sulle linee di trasmissione; meccanismi di guidaggio basati solo su conduttori o solo su dielettrici · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 2 Meccanismi di guidaggio basati su conduttori e dielettrici, la ionosfera come meccanismo di guidaggio naturale del campo e.m., introduzione del concetto di circuiti a costanti distribuite, linea di trasmissione bifilare, costanti primarie · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 3 Linea di trasmissione uniforme e non uniforme, impedenza ed ammettenza di linea, costanti secondarie (costante di propagazione e impedenza caratteristica) · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 4 Derivazione delle equazioni dei telegrafisti e delle relative soluzioni nel caso di linea uniforme, onde progressive e onde regressive, onde di tensione e onde di corrente · Materiali didattici a cura del docente 4 Modulo 4 – Lezione 5 Impedenza di ingresso, impedenza di linea su una sezione generica, adattamento nelle linee di trasmissione · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 6 Coefficiente di riflessione, condizioni di adattamento · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 7 Onda stazionaria ed onda che si propaga, rapporto d’onda stazionaria · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 8 Tecniche di adattamento delle linee di trasmissione: trasformatore in quarto d’onda · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 9 Tecniche di adattamento delle linee di trasmissione: stub in circuito aperto e stub in cortocircuito · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 10 Cenni sulla carta di Smith · Materiali didattici a cura del docente Modulo 5 – Lezione 1 Potenziali elettrodinamici: potenziale vettore magnetico e potenziale vettore elettrico; espressioni del campo e.m. in funzione dei potenziali elettrodinamici · Materiali didattici a cura del docente Modulo 5 – Lezione 2 Funzione di Green per lo spazio libero, integrale delle funzione di Green per la determinazione del potenziale vettore magnetico · Materiali didattici a cura del docente Modulo 5 – Lezione 3 Dipolo di Hertz: campo elettrico e magnetico, vettore di Poynting · Materiali didattici a cura del docente Modulo 5 – Lezione 4 Concetti elementari sulle antenne, caratteristiche elettriche e radiative · Materiali didattici a cura del docente k LUISS 5
