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.
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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.
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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
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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
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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
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