gruppo 1 - Università degli Studi di Napoli Federico II

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Università degli Studi di Napoli “Federico II” - Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Corso di Laurea in Fisica
Classe L-30 “Fisica” del DM 270/04
Programmi degli insegnamenti dell’A.A. 2009/2010
Elettromagnetismo e Ottica
Prof. Sergio Patricelli (gruppo 1)
II anno, 1° semestre; 10 CFU/80 ore (LF = 7 CFU/56 ore, ES = 3 CFU/24 ore)
[1 CFU di lezione frontale (LF) o esercitazioni (ES) = 8 ore (+ 17 di studio);
1 CFU di attività in laboratorio (LAB) = 12 ore (+ 13 di studio).]
E-mail del docente:
[email protected]
Tel. del docente:
081676130
Sito web del docente: http://www.docenti.unina.it/sergio.patricelli
Codice del Corso di Laurea: N85
Codice dell’insegnamento: 26214
Elettrostatica nel vuoto. Fenomeni di elettrizzazione. La struttura elettrica della materia. Induzione elettrostatica.
L’elettroscopio a foglie. La legge di Coulomb. L’unità di misura della carica elettrica. La costante dielettrica del vuoto.
La carica dell’elettrone. Confronto tra forza elettrica e forza gravitazionale. Forma vettoriale della legge di Coulomb. Il
campo elettrico. Il campo elettrostatico generato da una carica puntiforme. Linee di forza del campo elettrico. Il
principio di sovrapposizione. Campo elettrico di un dipolo. Densità di carica e campo elettrico generato da una
distribuzione continua di cariche. Lavoro delle forze elettriche. Energia potenziale elettrostatica. Potenziale
elettrostatico di una carica puntiforme. La differenza di potenziale. Relazione tra campo e potenziale elettrico. Unità di
misura di campo e potenziale elettrico. Potenziale di più cariche puntiformi. Potenziale di una distribuzione continua di
carica. Campo elettrico generato da una distribuzione di carica uniforme circolare. Campo elettrico in un condensatore
piano. Potenziale di un dipolo elettrico. Dipolo elettrico in un campo elettrico esterno. Energia di ionizzazione
dell’idrogeno. L’elettronvolt. Flusso del campo elettrico attraverso una superficie. Flusso del campo elettrico generato
da una carica puntiforme. Il teorema di Gauss. Applicazioni del teorema di Gauss: campo generato da una distribuzione
di cariche con simmetria sferica, con simmetria cilindrica e da una distribuzione piana uniforme. Discontinuità della
componente normale di E e continuità della componente tangenziale. Le equazioni di Maxwell per il campo
elettrostatico. Il significato intrinseco del gradiente, della divergenza e del rotore di un campo vettoriale. Le equazioni
di Poisson e Laplace.
Elettrostatica nei conduttori. Conduttori in equilibrio elettrostatico. Teorema di Coulomb. Induzione elettrostatica.
Schermo elettrostatico. Capacità di un conduttore isolato. Capacità di un conduttore sferico. Due conduttori sferici
collegati. Condensatori. Capacità di un condensatore piano. Capacità di un condensatore cilindrico. Collegamento tra
condensatori: collegamento sere e parallelo. Energia del campo elettrostatico. Densità di energia del campo
elettrostatico. Forza tra le armature di un condensatore. Il problema generale dell’elettrostatica. Il problema di Dirichlet.
Elettrostatica nei dielettrici. La costante dielettrica. Polarizzazione dei dielettrici. Il vettore polarizzazione dielettrica.
Densità di carica di polarizzazione. Il campo elettrico nei dielettrici. Campo elettrico in presenza di un dielettrico. Il
vettore induzione elettrica. Relazione tra campo ed induzione elettrica. Conduttore sferico immerso in un dielettrico.
Condizioni per E e D all’interfaccia di due dielettrici. Condensatore piano con dielettrico. Energia elettrostatica nei
dielettrici. Rigidità dielettrica.
La corrente elettrica. La forza elettromotrice. Conduzione elettrica. Intensità di corrente elettrica. Il vettore densità di
corrente. Verso convenzionale della corrente. Equazione di continuità. Regime stazionario. Modello classico della
conduzione elettrica. La legge di Ohm. Resistenza elettrica e sua dipendenza dalla temperatura. Effetto Joule.
Collegamento di resistenze in serie ed in parallelo. Amperometro e voltmetro. Resistenza interna di un generatore di
f.e.m. Il campo elettromotore. Reti elettriche in corrente continua. Le leggi di Kirchoff. Leggi di carica e di scarica di un
condensatore e bilancio energetico nei due processi.
Magnetismo nel vuoto. I fatti sperimentali. Il campo di induzione magnetica B. La seconda legge di Laplace. La forza
di Lorentz. Moto di una carica in un campo magnetico. Il ciclotrone. Lo spettrometro di massa. Azioni meccaniche su
una spira percorsa da corrente. Il principio di equivalenza di Ampère per le azioni meccaniche. La legge di Biot e
Savart. La permeabilità magnetica del vuoto. La prima legge di Laplace e sue applicazioni: campo di induzione
magnetica prodotto da un filo rettilineo indefinito, campo prodotto da una spira. Il campo magnetico terrestre. Campo
all’interno di un solenoide. Il campo B generato da una carica in movimento. Forze elettrodinamiche. Definizione
operativa dell’ampère. Il flusso e la divergenza di B. Il teorema di Ampère. Formulazione locale del teorema di
Ampère. Limiti di validità del teorema di Ampère. Applicazioni del teorema di Ampère: filo indefinito, solenoide
lineare indefinito, solenoide toroidale. Flusso tra circuiti. Autoflusso. Il potenziale vettore A. Trasformazioni di gauge.
La gauge di Coulomb. Equazione per il potenziale vettore A. Circuitazione e flusso di A.
Magnetismo nella materia. Momento magnetico atomico. Momento magnetico orbitale e di spin. Effetti di un campo
magnetico esterno sui momenti magnetici atomici. Classificazione magnetica dei materiali. Il vettore intensità di
magnetizzazione M. Il campo B in un mezzo materiale. Correnti di magnetizzazione. Il vettore campo magnetico H.
Relazione tra M ed H. Suscettività e permeabilità magnetica. Condizioni di raccordo di B ed H alla superficie di
separazione di due mezzi. Sostanze diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche. Ciclo di isteresi magnetica.
Domini di Weiss. Circuiti magnetici. Legge di Hopkinson. Flusso disperso. Elettromagneti.
Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo. Legge di Faraday – Neumann dell’induzione elettromagnetica. Legge
di Lenz. Origine della f.e.m. indotta. Equazione di Maxwell per l’induzione elettromagnetica. Relazione generale tra
campo E e potenziale. Generatori di f.e.m. alternata. F.e.m. autoindotta. Circuito serie RL. Extracorrenti di chiusura e di
apertura. Induttanza di un solenoide. Energia magnetica. Densità di energia magnetica. Energia magnetica ed isteresi.
Mutua induzione. Energia magnetica in circuiti accoppiati. Induttanze in serie ed in parallelo.
Circuiti RLC e correnti alternate. Circuiti RC e RL Circuito LC. Oscillazioni smorzate in circuiti RLC. Oscillazioni
forzate in circuiti RLC. Impedenza e sfasamento. Valori efficaci di f.e.m. e corrente. Risonanza in un circuito RLC.
Bilancio energetico in un circuito RLC. Cenni sullo studio dei circuiti in corrente alternata: metodo dei vettori rotanti e
metodo simbolico. Trasformatori.
Le equazioni di Maxwell. Corrente di spostamento. La legge di Ampére – Maxwell. Evidenza sperimentale della
corrente di spostamento. La legge di Ampére – Maxwell in un dielettrico. Le equazioni di Maxwell nel vuoto. Le
equazioni di Maxwell nei mezzi materiali.
Richiami sui fenomeni ondulatori nei mezzi materiali. Onde elastiche trasversali e longitudinali. La funzione
d’onda. Velocità di propagazione delle onde elastiche. L’equazione delle onde piane. Onde armoniche. Il teorema di
Fourier. Energia associata ai fenomeni ondulatori. Intensità di un’onda.
Onde elettromagnetiche. Onde elettromagnetiche nel vuoto. Onde elettromagnetiche piane. Polarizzazione lineare.
Onde piane sinusoidali. Polarizzazione ellittica e circolare. Spettro delle onde elettromagnetiche. Energia di un’onda
elettromagnetica. Il vettore di Poynting.
Ottica. Il teorema di Kirchhoff ed il principio di Huygens – Fresnel. Riflessione e rifrazione della luce. Dispersione
della luce. Intensità delle onde riflesse e rifratte. I coefficienti di Fresnel. Coefficienti di riflessione e di trasmissione.
Angolo di Brewster. Caratteristiche generali dei fenomeni di interferenza. Metodo dei vettori rotanti. Sorgenti coerenti e
sorgenti di luce naturale. L’esperimento di Young. Dispositivi ottici interferenziali: specchio di Fresnel e specchio di
Lloyd. Interferenza nelle lamine sottili e in un cuneo sottile. Anelli di Newton. Interferenza prodotta da N sorgenti.
Diffrazione della luce. Diffrazione di Fraunhofer. Diffrazione da una fenditura rettilinea. Diffrazione da una apertura
circolare. Diffrazione da una doppia fenditura. Reticolo di diffrazione. Potere dispersivo e potere risolutivo di un
reticolo. Criterio di Raleigh. Analisi spettroscopica. Diffrazione di Fresnel da un foro circolare e da un disco opaco.
Polarizzazione della luce. Polarizzazione per riflessione. Birifrangenza. Polarizzazione per dicroismo. Lamine
polarizzanti. Esperienze di Malus. Lamine di ritardo a quarto d’onda ed a mezz’onda.
Testi di riferimento per integrare gli appunti presi a lezione:
•
•
P. Mazzoldi – M. Nigro – C. Voci
Fisica Volume II - EdiSES
C. Mencuccini - V. Silvestrini
Fisica II (Elettromagnetismo – Ottica) Liguori Editore
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