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- Physics II - Module II
- Summary
Partizione di insegnamento
Course full name
Physics II - Module II
Course ID number
2122-2-E3001Q042-T2
Course Syllabus
Obiettivi
Elettrodinamica classica e ottica: fenomenologia, leggi fondamentali e soluzione di problemi
Contenuti sintetici
Elettrostatica nel vuoto, Corrente elettrica stazionaria, Magnetostatica nel vuoto, Induzione elettromagnetica, Elettrostatica nei mezzi materiali, Magnetostatica nei mezzi materiali, Onde elettromagnetiche, Ottica.
Programma esteso
1^ Semestre - Elettricità e magnetismo; limite (quasi) stazionario
U11 - a) Equazioni di Maxwell. Soluzioni delle equazioni di Maxwell nel vuoto. Equazione delle onde per E e B in assenza di sorgenti. Onde piane con direzione generica, onde TEM. Una sorgente (ideale) di onde piane e soluzione esplicita delle equazioni di Maxwell; confronto con la soluzione ondulatoria. b) Equazione d'onda in coordinate sferiche e onde sferiche; ampiezza energia e intensità dell'onda. Equazioni di continuità, carica, energia e quantità di moto; energia del campo EM e teorema di Poynting, quantità di moto del campo EM.
U12 - Potenziali elettrodinamici: campi quasi-stazionari (ritardati) e di radiazione; metodo generale di soluzione con potenziale vettore e scalare; equazioni per i potenziali; invarianza di gauge; il gauge di Coulomb e di Lorentz; equazioni d'onda per i potenziali; soluzione dell'equazione d'onda per sorgente puntiforme e generalizzazione a sorgente estesa; i potenziali ritardati; distribuzione di carica di dipolo variabile; potenziale e campo; termine quasi-stazionario e termine di radiazione.
U13 - Radiazione di carica accelerata; calcolo diretto di E, B e ExB nel limite non-relativistico, potenza irraggiata, relazione di Larmor. Radiazione di sincrotrone e correzione relativistica. Radiazione di sorgenti localizzate oscillanti, termini di multipolo, il dipolo elettrico; potenza emessa da carica osciallante, irraggiamento e smorzamento, antenna lineare (dipolo elettrico), antenna circolare (dipolo magnetico).
U14 - Interazione di onde EM con mezzi: a) Dielettrici: Modello a oscillatori, potenza assorbita e irraggiata, diffusione e legge di Rayleigh, polarizzabilità dinamica, indice di rifrazione complesso; propagazione di onde in un mezzo, dispersione normale e dispersione anomala; assorbimento risonante; rappresentazione di un pacchetto d'onda; velocità di fase e velocità di gruppo; attenuazione dell'onda. b) Conduttori: equazioni di Maxwell in un conduttore, equazione delle onde in conduttori, equazione di Helmoltz e indice di rifrazione complesso; qualità del conduttore in funzione della frequenza e della conducibilità; profondità di pelle; Riflessione e trasmissione per incidenza normale tra dielettrici e tra dielettrici e conduttori.
U15 - Ottica: a) Leggi dell'ottica geometrica; condizioni di continuità dei campi e relazione con il vettore numero d'onda; relazioni di Fresnel per incidenza generica e polarizzazione nel piano di incidenza (altra polarizzazione per esercizio); angolo di Brewster e riflessione per polarizzazione.
b) Interferenza: condizioni di interferenza; interferenza a due sorgenti; separatori di fronte d'onda e d'ampiezza. Interferenza multipla e il reticolo di interferenza.
c) Diffrazione: Principio di Huygens e integrale di diffrazione; figure di diffrazione.
U1 - Legge di Coulomb e principio di sovrapposizione degli effetti, energia potenziale di una configurazione di cariche, il campo elettrico e il campo di una distribuzione di cariche, Flusso del campo elettrico (CE), legge di Gauss, esempi di calcolo del CE per distribizioni simmetriche, forza elettrica su distribuzione planare, energia associata al CE
U2 - Il potenziale elettrico, relazione tra potenziale e CE: il gradiente, potenziale di una distribuzione di carica, dipoli e multipoli. Divergenza di un vettore, teorema di Gauss, la divergenza di un vettore e operatori vettoriali, forma differenziale della legge di Gauss,; Equazione di Laplace e di Poisson; Il rotore e il teorema di Stokes, il significato della divergenza e del rotore
U3 - Conduttori e isolanti, conduttori nel CE, problema generale dell'elettrostatica: teoremi di unicità e condizioni al contorno, soluzioni particolari dell'equazione di Laplace: il metodo della carica immagine. Capacità e condensatori, coefficienti di induzione, energia immagazzinata in un condensatore
U4 - Correnti elettriche, intensità e densità di corrente, correnti stazionarie e conservazione della carica, conducibilità e legge di Ohm, proprietà dei conduttori, circuiti elettrici e elementi circuitali , dissipazione di energia (legge di Joule), forza elettromotrice, reti in corrente continua e variabile con resistenze e condensatori
U5 - Campo generato da cariche in movimento: la forza magnetica, invarianza della carica in moto, campo elettrico in diversi SRI, campo (magnetico) di una carica in moto rettilineo uniforme, (interludio: campo di una carica che si muove e si ferma), forza su una carica in moto, interazioni tra cariche in moto. Moto di una carica un un campo magnetico statico.
U6 - a) Il campo magnetico (CM): definizione del vettore induzione magnetica e varie relazioni (Lorentz, formule di Laplace etc.), proprietà del campo magnetico: legge di Ampere, flusso magnetico, il potenziale vettore, equazione di Poisson per le componenti del potenziale vettore; campo di un filo percorso da corrente, esempi di CM (spira, etc,). b) Trasformazioni relativistiche dei campi elettromagnetici.
U7 - a) Induzione magnetica: ossrvazioni di Faraday, esempi, formulazione generale della legge di induzione (Faraday-Neuman-Lenz), mutua e auto-induzione, energia del CM; b) Circuiti in corrente alternata. Circuiti risonanti. Risposta in ampiezza e in frequenza.
U8 - La corrente di spostamento, le equazioni di Maxwell del CEM e il limite quasi-stazionario. Alcune soluzioni particolari (onde piane) per campi variabili - non stazionari - nel vuoto , energia associata ad un'onda piana e vettore di Pointyng (trattazione introduttiva).
U9 - Campi elettrici nella materia (approssimazione quasi-stazionaria), dielettrici, multipoli, campo e potenziale di dipolo, polarizzazione elettrica, teorema di Gauss nei dielettrici, proprietà dei materiali (cenni).
U10 - Campi magnetici nella materia (approssimazione quasi-stazionaria), Legge di Ampére nei materiali magnetizzati, Suscettività e permittività magnetica, Materiali dia-, para- e ferromagnetici (cenni)
2^ Semestre - Fenomeni elettrici e magnetici con campi variabili e ottica.U11 - a) Equazioni di Maxwell. Soluzioni delle equazioni di Maxwell nel vuoto. Equazione delle onde per E e B in assenza di sorgenti. Onde piane con direzione generica, onde TEM. Una sorgente (ideale) di onde piane e soluzione esplicita delle equazioni di Maxwell; confronto con la soluzione ondulatoria. b) Equazione d'onda in coordinate sferiche e onde sferiche; ampiezza energia e intensità dell'onda. Equazioni di continuità, carica, energia e quantità di moto; energia del campo EM e teorema di Poynting, quantità di moto del campo EM.
U12 - Potenziali elettrodinamici: campi quasi-stazionari (ritardati) e di radiazione; metodo generale di soluzione con potenziale vettore e scalare; equazioni per i potenziali; invarianza di gauge; il gauge di Coulomb e di Lorentz; equazioni d'onda per i potenziali; soluzione dell'equazione d'onda per sorgente puntiforme e generalizzazione a sorgente estesa; i potenziali ritardati; distribuzione di carica di dipolo variabile; potenziale e campo; termine quasi-stazionario e termine di radiazione.
U13 - Radiazione di carica accelerata; calcolo diretto di E, B e ExB nel limite non-relativistico, potenza irraggiata, relazione di Larmor. Radiazione di sincrotrone e correzione relativistica. Radiazione di sorgenti localizzate oscillanti, termini di multipolo, il dipolo elettrico; potenza emessa da carica osciallante, irraggiamento e smorzamento, antenna lineare (dipolo elettrico), antenna circolare (dipolo magnetico).
U14 - Interazione di onde EM con mezzi: a) Dielettrici: Modello a oscillatori, potenza assorbita e irraggiata, diffusione e legge di Rayleigh, polarizzabilità dinamica, indice di rifrazione complesso; propagazione di onde in un mezzo, dispersione normale e dispersione anomala; assorbimento risonante; rappresentazione di un pacchetto d'onda; velocità di fase e velocità di gruppo; attenuazione dell'onda. b) Conduttori: equazioni di Maxwell in un conduttore, equazione delle onde in conduttori, equazione di Helmoltz e indice di rifrazione complesso; qualità del conduttore in funzione della frequenza e della conducibilità; profondità di pelle; Riflessione e trasmissione per incidenza normale tra dielettrici e tra dielettrici e conduttori.
U15 - Ottica: a) Leggi dell'ottica geometrica; condizioni di continuità dei campi e relazione con il vettore numero d'onda; relazioni di Fresnel per incidenza generica e polarizzazione nel piano di incidenza (altra polarizzazione per esercizio); angolo di Brewster e riflessione per polarizzazione.
b) Interferenza: condizioni di interferenza; interferenza a due sorgenti; separatori di fronte d'onda e d'ampiezza. Interferenza multipla e il reticolo di interferenza.
c) Diffrazione: Principio di Huygens e integrale di diffrazione; figure di diffrazione.
Prerequisiti
Corsi di matematica e fisica generale del primo anno del corso di laurea in Fisica
Modalità didattica
lezione frontale (10 cfu), esercitazione (4 cfu)
Materiale didattico
- E.M Purcell and D.J. Morin, Electricity and Magnetism, 3rd Edition, Cambridge (Amazon) - U1-10
- S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, Onde e ottica, CEA - U11-15
Per U11-U15 molti argomenti sono integrati con testi supplementari:
- R. Feynman, The Feynman Lectures on Physics, Vol II - Online: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/
Altri testi per consultazione o impiegati per alcuni specifici argomenti (saranno segnalati):
- D.J. Griffiths, Introduction to electrodynamics, Cambridge
- J. Jackson, Elettrodinamica Calssica, Zanichelli (AVANZATO)
- Mencuccini e Silvestrini, Elettromagnetismo e Ottica, Ed. Ambrosiana
- S. Focardi, I.G. Massa, A. Uguzzoni, M. Villa, "Fisica generale - Elettromagnetismo", Zanichelli
- Mazzoldi-Nigro-Voci, “Fisica Generale (vol.2)”, Edises
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I e II semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Due prove in itinere scritte (o prove finali scritte sugli stessi argomenti se le prove in itinere sono largamente insufficienti) e prova finale orale.
Orario di ricevimento
Per appuntamento
Aims
Classical electrodynamics and optics: phenomenology, fundamental laws and problem solving
Contents
Electrostatics in vacuum, Stationary electric current, Magnetostatics in vacuum, Electromagnetic induction, Electrostatics in materials, Magnetostatics in materials, Electromagnetic waves and fields, Optics.
Detailed program
1st Semester: Electricity and magnetism - (quasi-stationary limit)
U1 - Coulomb's law and the principle of superposition, the potential energy of a charge configuration, the electric field and the field of a charge distribution, electric field (EF) flow, Gauss's law, examples of EF calculation for symmetric distributions, the electrical force on planar distribution, the energy associated with the EC
U2 - The electric potential, the relationship between the potential and the EF: the gradient, potential of a charge distribution, dipoles and multi-pole. The divergence of a vector, Gauss's theorem, the divergence of a vector and vector operators, differential form of Gauss's law; Laplace and Poisson equation; The rotor and the Stokes theorem, the meaning of divergence and rotor
U3 - Conductors and insulators, conductors in the EF, the general problem of the electrostatics: uniqueness theorems and boundary conditions, a way to solve the Laplace equation: the method of the image charges. Harmonic solutions (maybe). Capacitance and capacitors, induction coefficients, the energy stored in a capacitor
U4 - Electrical currents, current intensity and density, stationary currents and charge conservation, conductivity and Ohm's law, conductor properties, electrical circuits and circuit elements, energy dissipation (Joule's law), electromotive force, direct current networks and variable with resistors and capacitors
U5 - Field generated by moving charges: the magnetic force, invariance of the charge in motion, EF in different SRI, the field of a charge in uniform rectilinear motion, field of a charge that moves and stops, forces on a charge in motion, interactions between charges in motion; motion of charges in static magnetic fields.
U6 - a) The magnetic field: definition of the magnetic field and various relations (Lorentz, Laplace formulas, etc.), properties of the magnetic field: Ampere's law, magnetic flux, the vector potential, field of a wire traveled by current, examples of magnetic fields (rings and coils). b) Relativistic transformations of fields.
U7 - a) Magnetic induction: Faraday's observations, examples, the general formulation of the law of induction (Faraday-Neuman-Lenz), mutual and self-induction, the energy associated with the magnetic field. b) Alternating current circuits. Resonant circuits. The response in amplitude and frequency.
U8 - The displacement current, Maxwell equations of the CEM, quasi-stationary limit. Some particular solutions (plane waves) for variable fields - non-stationary - in a vacuum, energy associated with a plane wave and Pointyng vector (introductory treatment).
U9 - Electrical fields in matter, dielectrics, multipoles, field and dipole potential, electrical polarization, Gauss theorem in dielectrics, properties of materials.
U10 - Magnetic fields in matter, Ampére's law in magnetized materials, Susceptibility and magnetic permittivity, Dia-, para- and ferromagnetic materials.
2nd Semester: Electrical and magnetic phenomena with variable fields; Optics
U11 - a) Maxwell equations. Solutions of Maxwell's equations in vacuum. Wave equation for E and B in the absence of sources. Plane waves with a generic direction, TEM waves. An (ideal) source of plane waves and the explicit solution of Maxwell's equations; comparison with the wave solution. b) Wave equation in spherical coordinates and spherical waves; energy amplitude and wave intensity. Charge, energy and momentum continuity equations: the energy of the EM field and the Poynting's theorem; the momentum of the EM field.
U12 - Electrodynamic potentials: quasi-stationary (delayed) and radiation fields; general method of solution with scalar and vector potential; equations for potentials; gauge invariance; the Coulomb and Lorentz gauge; wave equations for potentials; solution of the wave equation for a point source and generalization for an extended source; the retarded potential; oscillating dipole, potential and field; quasi-stationary term and radiation term.
U13 - Radiation by an accelerated charge; direct calculation of E, B, and ExB in the non-relativistic limit, irradiated power, Larmor relation. Synchrotron radiation and relativistic correction. Radiation of localized oscillating sources, multipole terms, the electric dipole; power emitted by an oscillating charge, radiation and damping, linear antenna (electric dipole), circular antenna (magnetic dipole).
U14 - Interaction of EM waves with media: a) Dielectrics: Oscillator model, absorbed and radiated power, Rayleigh diffusion and law, dynamic polarizability, complex refractive index; propagation of waves in a medium, normal dispersion and anomalous dispersion; resonant absorption; representation of a wave packet; phase speed and group speed; wave attenuation. b) Conductors: Maxwell equations in a conductor, wave equation in conductors, Helmoltz equation and complex refractive index; quality of the conductor according to frequency and conductivity; depth of skin; Reflection and transmission by normal incidence between dielectrics and dielectrics and conductors.
U15 - Optics: a) Geometric optics laws; conditions of continuity of the fields and relationship with the wave number vector; Fresnel relations for generic incidence and polarization in the incidence plane (other polarization by exercise); Brewster angle and reflection by polarization.
b) Interference: conditions of interference; interference with two sources; wavefront and amplitude separators. Multiple interference and interference pattern.
c) Diffraction: Huygens principle and diffraction integral; diffraction figures.
Prerequisites
First-year physics and math courses.
Teaching form
lectures (10 credits), classes (4 credits)
Textbook and teaching resource
- E.M Purcell and D.J. Morin, Electricity and Magnetism, 3rd Edition, Cambridge (Amazon) - U1-10
- S. Focardi, I. Massa, A. Uguzzoni, Onde e ottica, CEA - U11-15.
Some of the topics covered in units U11-U15 are described in accordance with:
- R. Feynman, The Feynman Lectures on Physics, Vol II - Online: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/
Additional textbooks that may be used or suggested for further reading on selected topics include:
- D.J. Griffiths, Introduction to electrodynamics, Cambridge (Rather comprehensive)
- J. Jackson, Classical Electrodynamics, Zanichelli (Advanced)
- Mencuccini e Silvestrini, Elettromagnetismo e Ottica, Ed. Ambrosiana
- S. Focardi, I.G. Massa, A. Uguzzoni, M. Villa, "Fisica generale - Elettromagnetismo", Zanichelli
- Mazzoldi-Nigro-Voci, “Fisica Generale (vol.2)”, Edises
Semester
1st and 2nd semesters
Assessment method
Two mid-term written tests (or final tests in case the mid-term tests were failed) and an oral interview at the end of the course.
Office hours
Upon request
Key information
Field of research
FIS/01
ECTS
14
Term
Annual
Activity type
Mandatory
Course Length (Hours)
128
Degree Course Type
Degree Course
Language
Italian