Corso di insegnamento “Fisica Generale II”

Corso di Laurea in Matematica

AA 2017-2018 – docente titolare: Stefania Spagnolo

 

 

II Semestre del secondo anno di Corso.

Crediti     6

Link all’orario.

 

1) Contenuti del Corso

Elettricità e Magnetismo

Dettaglio delle lezioni

 

2) Modalità di valutazione degli studenti

Esame scritto e orale.

 

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 IIEdiSES

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

E. Amaldi, R. Bizzarri,  G. PizzellaFisica 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/

 

Link al compito del primo esonero

Link al compito scritto del 8/06/2018

Link al compito scritto del 5/07/2018

 

 

Contenuti delle lezioni

 

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Lezione n. 1 Lunedi 26 febbraio ’18

Introduzione.

Campi scalari e campi vettoriali.

Rappresentazione di un campo scalare, superfici di livello.

Gradiente di un campo scalare; interpretazione geometrica. Teorema del gradiente.

Gradiente di un campo scalare e campi vettoriali conservativi.

Fonti: E. Amaldi, R. Bizzarri,  G. Pizzella; Physics II MIT 

 

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Lezione n. 2 Martedì 27 febbraio ’18

Rappresentazioni di campi vettoriali; linee di campo. 

Flusso di un campo vettoriale attraverso una superficie generica.

Divergenza e rotore di un campo vettoriale. 

Teorema della divergenza e teorema di Stokes. 

Campi irrotazionali e campi solenoidali.

Fonti: E. Amaldi, R. Bizzarri,  G. Pizzella; Physics II MIT 

 

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Lezione n. 3 Martedì 6 marzo ’18

Prime evidenze dei fenomeni elettrici e delle proprieta’ di materiali isolanti e conduttori.

Legge di Coulomb (forza tra due cariche puntiformi) e principio di sovrapposizione. 

Densita’ volumetrica, superficiale e lineare di carica.

Definizione di campo elettrico.

Espressione del campo elettrico prodotto da una distribuzione volumetrica (o in generale estesa) di carica.

Problemi:

1- confronto dell’intensità di forza gravitazionale e coulombiana nell’atono di idrogeno;

2- sfere sospese di stessa massa e carica, condizione di equilibrio;

3- sistema di 3 cariche identiche ai vertici di un triangolo equilatero, forze su ciascuna carica e al centro del triangolo;

4- distribuzione uniforme di carica su una sbarretta rettilinea di lunghezza L e spessore trascurabile: campo in un punto del piano mediano e in un punto generico; Limite per distanza (tra punto e sbarretta) che tende a infinito; Limite per L che tende a infinito.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 4 Lunedì 12 marzo ’18

Energia potenziale di una carica in un campo elettrostatico Coulombiano.

Potenziale elettrostatico Coulombiano e potenziale elettrostatico per una distribuzione generica di cariche. 

Energia elettrostatica di un sistema discreto e continuo di cariche.

Problemi:

1- distribuzione uniforme di carica su una sbarretta rettilinea di lunghezza L e spessore trascurabile: potenziale elettrostatico in un punto del piano mediano: Limite per distanza (tra punto e sbarretta) che tende a infinito; Limite per L che tende a infinito; Campo elettrico come gradiente del potenziale elettrostatico.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 5 Martedì 13 marzo ’18

Potenziale elettrostatico e campo generati da un dipolo elettrico.

Problemi:

1- distribuzione uniforme di carica su una anello, su un disco: calcolo del potenzilae elettrostatico (e campo elettrico dal potenziale) e limiti asintotici.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 6 Lunedì 19 marzo ’18

Forza energia potenziale e momento su un dipolo immerso in un campo elettrico esterno.  Configurazioni di equilibrio, moto di rotazione oscillatoria attorno alla posizione di equilibrio stabile.

Sistema discreto di cariche puntiformi: sviluppo in serie di multipoli del potenziale elettrostatico in punti distanti dalle cariche sorgente.

Misura della carica elettrica elementare (esperimento di Millikan 1910)

Problemi:

1- distribuzione lineare di carica dipendente da theta su un anello; calcolo del campo elettrico al centro e in punti sull’asse x e sull’asse y a grande distanza dall’anello.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

 

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Lezione n. 7 Martedì 20 marzo ’18

Legge di Gauss in forma locale e differenziale. Dimostrazione e metodo di utilizzo della legge di Gauss per il calcolo del campo elettrico e potenziale in configurazioni di sorgente simmetriche.

Problemi:

1- Campo elettrico e potenziale da una spera uniformemente carica in ogni punto dello spazio.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 8 Lunedì 26 marzo ’18

Esperimento di Rutherford. Teorema di Coulomb. Equazioni di Poisson e Laplace. Proprietà delle funzioni armonichesoluzioni dell’equazione di Laplace.  

Problemi risolti e/o proposti:

Calcolo di E e potenziale prodotto da: 

1- superficie sferica uniformemente carica;

2- superficie cilindrica infinitamente lunga e uniformemente carica

3- cilindro uniformemento carico

4- piano infinito con distribuzione uniforme superficiale di carica

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n. 9 Martedì 27 marzo ’18

Espressione dell’energia elettrostatica di un sistema in funzione del campo elettrico.

Conduttori all’equilibrio elettrostaticoproprietà generali. Unicità della soluzione del problema generale dell’elettrostatica (con condizioni allaDirichlet,  Neumann o miste).

Problemi risolti e/o proposti:

Calcolo di E e potenziale prodotto da: 

1- uno strato piano infinitamente esteso di spessore d e densita’ di carica uniforme

2- (usando 1) campo elettrico e potenziale prodotti da una giunzione p-n (due strati piani infinitamente contigui con densita’ rho_p [negativa] e rho_n e spessori b e a, rispettivamente tali che -b*rho_p = a*rho_n); 

3- data una espressione analitica del potenziale determinare il campo e la distribuzione di carica che puo’ averla prodotta.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n.10  Lunedì 9 aprile ’18

Metodo delle cariche imagine. 

Sistema di  conduttorirelazioni tra cariche e potenzialicoefficienti di potenziale e di capacità.  

Capacità di un sistema di due conduttorienergia immagazzinata nel capacitore

Problemi risolti e/o proposti:

Calcolo di E e potenziale prodotto da: 

1- piano infinito conduttore a potenziale nullo e carica puntiforme

2- sfera conduttrice a potenziale nullo (o fisso o a carica totale nota) e carica puntiforme;

3- sfera conduttrice in campo elettrico uniforme;

4- coefficienti di potenziale e di capacità per il sistema composto da una sfera conduttrice al centro di una sfera cava.

5- capacità di un condensatore sfericocilindrico e piano.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n.11  Martedì 10 aprile ’18

Problemi risolti e/o proposti:

Calcolo di E e potenziale prodotto da: 

1- coefficienti di potenziale e di capacità per il sistema composto da una sfera conduttrice al centro di una sfera cava.

2- capacità di un condensatore sfericocilindrico e piano.

Fonti: Mazzoldi, Nigro, Voci

 

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Lezione n.12  Lunedì 16 aprile ’18

Condensatori collegati in serie e parallelo.

Corrente elettrica e densità di corrente. 

Problemi risolti e/o proposti:

1/ Calcolo di E e potenziale nella cavitasferuca di un isolante con carica volumetrica uniforme.

2/ Calcolo del Campo e della distribuzione di carica dall’espressione analitica del potenziale elettrostatico.

3/ Filo carico circondato da conduttore cilindrico coassiale cavo.

 

 

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Lezione n.13  Martedì 17 aprile ’18

Modello di Drude della conduzione elettrica. Equazione di continuità della carica. Legge di Ohm.  Potenza erogata e dissipata in un circuito percorso da corrente.

Esempi di circuiti con generatori di d.d.p. costante; carica e scarica di un condensatore (e bilancio energetico); resistori in serie e parallelo

 

 

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Lezione n.14  Lunedì 30 aprile ’18

Introduzione alle trasformazioni di Lorentz.

Problemi risolti e/o proposti:

Risoluzione dei problemi del primo esonero

 

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Lezione n.15  Lunedì  7 maggio ’18

Campo elettrico e magnetico prodotti da una carica in movimento.

Forza di Lorentz, Moto di una carica elettrica in un campo magnetico uniforme.

 

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Lezione n.16  Martedì  8 maggio ’18

Forza su una carica in moto con velocita’ v in prossimita’ di un filo percorso da corrente come effetto del campo elettrico (non conservativo) prodotto dai portatori di carica in moto del filo conduttore.

Introduzione al campo magnetico: osservazioni sperimentali. Seconda legge di Laplace, B solenoidale.

 

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Lezione n.17  Lunedì  14 maggio ’18

Prima legge di Laplace, Legge di Ampere in forma locale e integrale. Potenziale vettore, invarianza di gauge ed equazioni per il potenziale vettore (in magnetostatica) nella gauge di Coulomb (divA=0).

 

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Lezione n.18  Martedì  15 maggio ’18

Applicazione della legge di Ampere al calcolo del campo magnetico prodotto da distribuzioni simmetriche di correnti.

Problemi risolti e/o proposti:

Segmento rettilineo di filo conduttore percorso da corrente di lunghezza finita L. Calcolo del campo in un punto del piano mediano. Limite per lunghezza del filo che tende a infinito.  Campo B da filo rettilineo infinito (con Ampere).

Campo magnetico prodotto da una spira circolare percorsa da corrente sui punti dell’asse.

Campo magnetico sull’asse di un solenoide di lunghezza finita e limite per L che tende a infinito.

Campo in un solenoide rettilineo infinito con Ampere.

Campo magnetico prodotto da un solenoide toroidale.

 

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Lezione n.19  Lunedì  21 maggio ’18

Applicazione della legge di Ampere al calcolo del campo magnetico prodotto da distribuzioni simmetriche di correnti.

Problemi risolti e/o proposti:

Campo magnetico e potenziale vettore prodotti da un cilindro infinito percorso da corrente con densita’ uniforme J.

Potenziale vettore in ogni punto dello spazio prodotto da un solenoide infinito.

Campo magnetico in ogni punto dello spazio prodotto da filo rettilineo infinito coassiale a superficie cilindrica.

Flusso del campo magnetico prodotto da un filo rettilineo infinito percorso da corrente concatenato con una spira rettangolare contenuta in un piano a cui appartiene il filo.

 

 

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Lezione n.20  Martedì  22 maggio ’18

Eguaglianza dei coefficienti di mutua induzione tra due circuiti.

Problemi risolti e/o proposti:

Campo magnetico prodotto da uno strato superficiale di corrente.

Circuito RC.

Spettrometro di Dempster (moto di cariche in campo magnetico uniforme).

 

 

 

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Lezione n.21  Lunedì  28 maggio ’18

Applicazione della legge di Ampere al calcolo del campo magnetico prodotto da distribuzioni simmetriche di correnti.

Problemi risolti e/o proposti:

Corrente di un fascio impulsato di particelle; stima dei parametri del modello di Drude (velocità di deriva, tempo caratteristico tra due collisioni) in un circuito reale;  Circuiti elettrici con resistenze e condensatori; Calcolo del campo elettrico e potenziale elettrostatico per distribuzioni di carica non uniforme ma a simmetria sferica.

 

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Lezione n.21  Mercoledì  30 maggio ’18

Problemi risolti e/o proposti:

Campo magnetico da due fili conduttori percorsi da correnti di diversa intensità in versi opposti; Campo magnetico nella cavità cilindrica decentrata di un cilindro percorso da densità di corrente uniforme; sistemi di conduttori all’equilibrio elettrostatico (gusci sferici concentrici, calcolo dell’energia elettrostatica complessiva). Condensatore a piatti piani e paralleli alterato da uno strato di conduttore piani inserito all’interno parallelamente ai piatti; energia immagazzinata nel condensatore; flusso del campo magnetico prodotto da una spira circolare percorsa da corrente concatenato con l’avvolgimento di un solenoide rettilineo infinito perpendicolare a piano della spira e di raggio < raggio spira.