Corso di insegnamento “Fisica Generale II”

Corso di Laurea in Matematica

AA 2015-2016 – docente titolare: Stefania Spagnolo

 

 

II Semestre del secondo anno di Corso.

Crediti     6

 

1) Contenuti del Corso

Elettricità e Magnetismo

Dettaglio delle lezioni

 

2) Modalità di valutazione degli studenti

Esame orale; può essere richiesta la discussione di problemi.

 

3) Modalità di prenotazione dell’esame e date degli appelli

Gli studenti possono prenotarsi per l’esame finale esclusivamente utilizzando le modalità previste dal sistema VOL

 

4) Testi suggeriti

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci  “Fisica, volume II” EdiSES

R.A. Serway, J.W. Jewett “Fisica per Scienze ed ingegneria, volume secondo”, EdiSES

La Fisica di Berkeley,  Vol. II: Elettricità e magnetismo, di Edward Mills Purcell

E. Amaldi, R. Bizzarri,  G. Pizzella “Fisica Generale, elettromagnetismo, relatività, ottica”, Zanichelli Editore

                           

4) Risorse online

Physics II MIT  http://ocw.mit.edu/courses/physics/8-02-physics-ii-electricity-and-magnetism-spring-2007/readings/

 

 

 

 

 

Contenuti delle lezioni

 

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Lezione n. 1 Lunedi 29 febbraio ’16

 

Introduzione.

Concetto di campo; 

Campi scalari e vettoriali, loro rappresentazione;

superfici equipotenziali e gradiente di una funzione scalare;

linee di campo; flussi divergenti,  solenoidali, irrotazionali e a rotazione non nulla.

Fonti: Physics II MIT

Richiamo del concetto di integrale di linea e flusso di un campo vettoriale.

Definizione di Divergenza e Rotore di un campo vettoriale.

Fonti: Physics II MIT , Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 2 Martedì 1 marzo ’16

 

Evidenze dei fenomeni elettrici: elettrizzazione di isolanti,  induzione elettrostatica, 

cariche elementari nella struttura della materia.

Legge di Coulomb.

Campo elettrostatico Coulombiano.

Principio di sovrapposizione.

Campo elettrostatico prodotto da distribuzione volumetrica continua di carica.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Divergenza e Rotore: dalla definizione all’espressione in coordinate cartesiane.

Enunciato del teorema di Stokes e del teorema della divergenza.

Fonti: Amaldi, Bizzarri, Pizzella

Esercizi:

Equilibrio di due sferette cariche sospese mediante due fili ad un punto comune.

Tre cariche ai vertici di un triangolo equilatero: forza sulle cariche e forza al centro.

Campo elettrostatico sui punti di un piano perpendicolare a una bacchetta uniformemente carica passante per il centro della bacchetta; limite per grandi distanze.

 

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Lezione n. 3 Lunedì 7 marzo ’16

 

Lavoro della forza elettrostatica, potenziale elettrostatico.

Campo elettrostatico come gradiente del potenziale.

Energia potenziale elettrostatica di una carica di prova in un campo Coulombiano; nel campo prodotto da una distribuzione discreta di cariche puntiformi. Energia elettrostatica di un sistema di cariche (discreto e continuo).

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Gradiente di un campo scalare in coordinate cilindriche e sferiche.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci - Amaldi, Bizzarri, Pizzella

Esercizi:

Campo elettrostatico sull’asse di un anello uniformemente carico e limite per grandi distanze. 

Campo elettrostatico sull’asse di un disco uniformemente carico.  Limite del piano infinito. Campo elettrostatico prodotto da due piani infiniti paralleli con distribuzioni superficiali di carica di segno opposto.

Potenziale elettrostatico sui punti di un piano perpendicolare a una bacchetta uniformemente carica passante per il centro della bacchetta; limite per grandi distanze; calcolo del campo elettrostatico dal potenziale.

Potenziale elettrostatico sull’asse di un anello uniformemente carico e calcolo del campo dal potenziale.

Potenziale elettrostatico sull’asse di un disco uniformemente carico e calcolo del campo dal potenziale (proposto).

 

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Lezione n. 4 Martedì 8 marzo ’16

 

Scattering di una particella alpha da parte di un nucleo pesante (esperienza di Rutherford).

Prima evidenza della quantizzazione delle carica elettrica (esperienza di Millikan).

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Dipolo elettrico: potenziale e campo elettrostatico generati a distanze r>>d. Energia elettrostatica di un dipolo in un campo elettrico esterno, forza agente sul dipolo e momento delle forze.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Esercizi:

Interazione tra due dipoli paralleli, o antiparalleli, disposti lungo l’asse del dipolo o sul piano perpendicolare ad esso (proposto).

 

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Lezione n. 5 Lunedì 14 marzo ’16

 

Potenziale elettrostatico a grande distanza da un sistema discreto di N cariche puntiformi; termine di monopolo e dipolo.

Legge di Gauss in forma integrale e differenziale.

Strategia per il calcolo di campo e potenziale elettrostatico mediante la legge di Gauss e considerazioni di simmetria.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Esercizi:

Calcolo della divergenza di E per il campo prodotto da una carica puntiforme.

Calcolo di E prodotto da una sfera uniformemente carica in ogni punto dello spazio (usando la legge di Gauss).

 

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Lezione n. 6 Martedì 15 marzo ’16

 

Continuità e discontinuità delle componenti del campo elettrico nell’attraversamento di uno strato superficiale di carica.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Equazione di Poisson e Laplace.

Fonti: La Fisica di Berkeley – Elettricità e magnetismo

Esercizi:

Potenziale prodotto da una sfera uniformemente carica in ogni punto dello spazio.

Campo elettrostatico prodotto da una distribuzione superficiale cilindrica di carica (approssimazione di cilindro infinitamente lungo). Distribuzione superficiale sferica di carica.

Piano infinitamente esteso: calcolo del campo elettrostatico dalla legge di Gauss  (proposto).

 

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Lezione n. 7 Lunedì  21 marzo ’16

 

Energia di interazione elettrostatica di un sistema; calcolo a partire dal campo elettrico; densità volumetrica di energia.

Conduttori in equilibrio elettrostatico. Schermo elettrostatico. Problema generale dell’elettrostatica (Dirichlet, Neumann, misto). Metodo delle cariche immagine.

Piano conduttore infinito e carica puntiforme.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci; La Fisica di Berkeley – Elettricità e magnetismo

Esercizi:

Campo elettrostatico nella cavità sferica all’interno di una sfera uniformemente carica. Giunzione p-n, campo elettrostatico e potenziale. Campo elettrostatico e potenziale prodotti da uno strato di spessore finito, piano e infinitamente esteso con densità volumetrica uniforme di carica. Campo e distribuzione di carica dal potenziale (strato con densità uniforme di carica) (proposti)

 

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Lezione n. 8 Martedì  22 marzo ’16

 

Metodo della carica immagine applicato al sistema di una sfera conduttrice (a potenziale nullo o a carica fissata o a potenziale fissato) e una carica puntiforme a esterna.  Metodo della carica immagine applicato al sistema di una sfera conduttrice immersa in un campo elettrico uniforme.  Coefficienti di capacità e di potenziale. Energia elettrostatica di un sistema di conduttori. Il sistema di due conduttori. Capacità del condensatore. Energia elettrostatica di un condensatore.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Esercizi:

Condensatore sferico.

Condensatore cilindrico, capacità e calcolo dell’energia elettrostatica (proposto).

 

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Lezione n. 9 Martedì  29 marzo ’16 (rimandata)

 

 

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Lezione n. 9 Lunedì  4 aprile ’16

 

Corrente elettrica. Modello di Drude della conducibilità.  Legge di Ohm. Resistenza di conduttori Ohmici. Serie e parallelo di resistori.

Esercizi:

Carica e scarica di un condensatore in un circuito con generatore di tensione costante, un resistore di carica e un resistore di scarica. Bilancio energetico del circuito.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 10 Martedì  5 aprile ’16

 

Confronto della velocita’ di deriva degli elettroni in un metallo per effetto di una d.d.p. costante applicata con le velocita’ di agitazione termica (approssimazione di gas ideale). Definizione della carica elettrica per un portatore di carica in moto. Legge di trasformazione del campo elettrico da un sistema in cui B=0 a un sistema di riferimento in moto relativo rettilineo uniforme

Fonti: La Fisica di Berkeley– Elettricità e magnetismo

 

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Lezione n. 11 Lunedì  11 aprile ’16

 

Campo elettrico prodotto da una carica in moto con velocità costante. Forza su una carica in moto con velocità costante parallela alla direzione della corrente che percorre un filo rettilineo (equivalenza con l’espressione della Forza di Lorentz agente su una carica in moto in presenza di un filo percorso da corrente).

Fonti: La Fisica di Berkeley– Elettricità e magnetismo

 

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Lezione n. 12 Martedì  12 aprile ’16

 

Moto di cariche in presenza di campo magnetico uniforme.

Forza di Lorentz e definizione operativa del campo magnetico e caratteristiche generali (div di B=0)

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 13 Lunedì  18 aprile ’16

 

II Legge di Laplace (forza elementare su un filo percorso da corrente immerso in campo magnetico). Momento di dipolo magnetico associato a una spira piana e rigida percorsa da corrente.

Momento delle forze ed energia potenziale di una spira immersa in campo magnetico uniforme.  Piccole oscillazioni attorno alla posizione di equilibrio.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

Campo magnetico prodotto da una carica in moto con velocità costante.  Trasformazioni del campo elettromagnetico sotto trasformazioni di Lorentz.  Trasversalità del campo elettrico (e magnetico) prodotti da una carica in moto con velocità prossima alla velocità della luce. 

Fonti: J.D. Jackson, Classical Electrodynamics

 

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Lezione n. 14 Martedì  19 aprile ’16

 

I Legge di Laplace: campo magnetico prodotto da una spira percorsa da corrente e da una distribuzione volumetrica di corrente con densità J. Dimostrazione nel caso di un filo infinito percorso da corrente.

Fonti: La Fisica di Berkeley– Elettricità e magnetismo

Esercizi:

1) Campo elettrico e potenziale elettrostatico prodotti da una distribuzione di carica a simmetria sferica (esempio problema 3.2 Mazzoldi Nigro Voci);

2) Campo elettrico al centro di un anello con densità lineare di carica di tipo a x sin(\theta) al centro dell’anello e a grandi distanze sull’asse x e y (esempio problema 2.2 Mazzoldi Nigro Voci)

 

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Lezione n. 15 Martedì  26 aprile ’16

 

Potenziale vettore (dalla I legge di Laplace, dimostrazione che B = rot A, quindi div B = 0). Legge di Ampere in forma differenziale e integrale. Equazioni di Maxwell in condizioni di cariche fisse nello spazio e correnti stazionarie. Invarianza dei campi per l’aggiunta del gradiente di una funzione scalare al potenziale vettore; gauge di Coulomb (div A=0) ed equazione a di Poisson per le componenti del potenziale vettore.

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci  e La Fisica di Berkeley– Elettricità e magnetismo

Esercizi:

1) Campo magnetico sul piano mediano di un segmento percorso da corrente (Mazzoldi Nigro Voci) 

2) Potenziale vettore in ogni punto dello spazio in presenza di una distribuzione cilindrica di densita’ di corrente uniforme

3) Campo B sull’asse di una spira circolare percorsa da corrente. (Mazzoldi Nigro Voci) 

4) Campo sull’asse di un solenoide di lunghezza finita, somma di contributi elementari dovuti alle singole spire. (Mazzoldi Nigro Voci)  (proposto).

 

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Lezione n. 16 Lunedì  2 maggio ’16

 

Flusso attraverso un circuito del campo B prodotto da una spira percorsa da corrente. Eguaglianza dei coefficienti di mutua induzione.

Le evidenze sperimentali che conducono alla legge integrale di Faraday Neumann.

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci 

Esercizi:

1) Campo magnetico e potenziale vettore prodotti da solenoide infinito

2) Campo magnetico in solenoide toroidale

3) Campo B prodotto da una distribuzione superficiale di corrente (Mazzoldi Nigro Voci)  (proposto).

 

 

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Lezione n. 17 Martedì  3 maggio ’16

 

Dimostrazione della legge integrale di Faraday Neumann nel caso di flusso tagliato (spira in moto in campo magnetico B non uniforme e spira fissa e sorgenti del campo magnetico non uniforme in moto). Forma differenziale della legge di induzione elettromagnetica nel caso di campo magnetico variabile nel tempo.

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci 

Esercizi:

1) Energia dissipata su un resistore in un circuito in campo B variabile nel tempo

2) Distribuzione lineare di carica sull’asse di uno strato cilindrico carico – potenziale e campo elettrostatico in tutto lo spazio

 

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Lezione n. 18 Lunedì  9 maggio ’16

 

Mutua induzione e auto induzione in circuiti percorsi da corrente. Circuito RL,  accensione e spegnimento; bilancio energetico. Energia magnetica associata ad un circuito percorso da corrente. Densità volumetria di energia magnetica associata al campo magnetico.  Limite di validità della legge di Ampere (circuito con condensatore in fase di carica). La corrente di spostamento e l’equazione di Ampere-Maxwell.

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci 

Esercizi:

1) Calcolo del coefficiente di autoinduzione di un solenoide infinito.

2) Calcolo del coefficiente di autoinduzione di un cavo coassiale (due strati cilindrico coassiali percorsi da corrente in verso opposto).

3) Circuito RL

 

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Lezione n. 19 Martedì  10 maggio ’16 (rimandata)

 

 

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Lezione n. 19 Lunedì  16 maggio ’16

 

Esercizi:

1) Campo magnetico all’interno di un condensatore in fase di carica; corrente indotta in un circuito circolare coassiale con il condensatore.

2) Campo magnetico e forza elettromotrice indotta in un solenoide toroidale al centro di un condensatore collegato a un generatore di forza elettromotrice oscillante.

3) Spira rettangolare in rotazione con velocità angolare costante attorno ad un asse perpendicolare alla direzione di un campo magnetico costante e uniforme nello spazio: generatore di corrente sinusoidale.

4) Velocità limite di una sbarretta che scivola senza attrito lungo due guide verticali connesse da un resistore in una regione con campo magnetico uniforme. Valore della corrente indotta asintotica e dell’energia dissipata per spostamento unitario della sbarretta nel regime asintotico.

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci 

 

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Lezione n. 20 Martedì  17 maggio ’16

 

Esercizi:

0) Soluzione di onda piana della equazioni di Maxwell; proprietà del campo elettrico e magnetico associati a un’onda elettromagnetica piana.

1) Filo infinito percorso da impulso di corrente (esponenzialmente decrescente) e spira rettangolare con un lato parallelo al filo contenuta in un piano che contiene il filo; calcolare f.e.m. indotta e carica che attraversa una sezione del conduttore da t=0 fino all’infinito.

2) Principio di funzionamento dell’oscilloscopio

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci 

 

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Lezione n. 21 Giovedì  29 maggio ’16

 

Complemento: Invarianza di gauge del potenziale scalare e vettore in elettromagnetismo ed equazioni per A e phi.

Esercizi:

1) Spettrometri di massa: Thomson e  Dempster

2) Selettore di velocità

3) Momento magnetico acquisito dal sistema di un elettrone che ruota attorno al nucleo, all’instaurarsi di un campo magnetico.

Fonti: Mazzoldi Nigro Voci 

 

Altri esercizi proposti (Fonti: Mazzoldi Nigro Voci):

1) 6.1    corrente

2) 8.12  campo magnetico in conduttore cilindrico cavo

3) 8.6    campo magnetico da circuiti filiformi.