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70/LM-0032 - ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA

Anno Accademico 2017/2018

Docente
MARIANGELA USAI (Tit.)
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
ITALIANO 



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[70/82]  INGEGNERIA ELETTRICA [82/00 - Ord. 2010]  PERCORSO COMUNE990
[70/84]  INGEGNERIA ENERGETICA [84/00 - Ord. 2016]  PERCORSO COMUNE660
Obiettivi

Lo studente dovrà:
acquisire la conoscenza e la comprensione delle teorie e dei modelli di campi elettromagnetici, per il calcolo delle grandezze di campo e per progettare, applicando i concetti più recenti e innovativi;

conoscere lo stato di avanzamento della ricerca dei reattori i reattori a fusione nucleare: reattori esistenti e reattori in fase di realizzazione. Conoscere i concetti di base della Magnetoidrodinamica (MHD), cioè come campi magnetici possono interagire con fluidi conduttivi in movimento. Conoscere le equazioni alla base della MHD, date dalla combinazione delle equazioni di Navier-Stokes della fluidodinamica con le equazioni di Maxwell sull'elettromagnetismo. Conoscere lo stato dell'arte e le prospettive future dell'impiego dei fenomeni MHD in diversi ambiti tecnologici, quali la metallurgia, l'elettrochimica, la deposizione di metalli, la crescita di cristalli, la conversione statica dell'energia. (knowledge and understanding)

essere in grado di applicare la teoria e i modelli per valutare la quantità di campo ed verificare qualitativamente gli effetti dei campi elettromagnetici con modelli di simulazione; (applying knowledge and understanding)

acquisire le conoscenze dei termini tecnici in inglese. Avere la capacità di interpretare correttamente i risultati ottenuti, con la verifica di modelli di analisi, utilizzando un software applicativo del metodo numerico degli elementi finiti. (judgments-making)

avere capacità di comunicare attraverso elaborazioni scritte e discussioni orali. Capacità di utilizzare il software per applicare il metodo agli Elementi Finiti. Capacità di prendere decisioni autonome discutere problemi e soluzioni. (communication skills)

acquisire la a capacità di comprendere correttamente testi di letteratura tecnica e scientifica attinente. (learning skills)

Prerequisiti

Analisi I, Analisi II, Fisica I, Fisica II, Geometria, Elettrotecnica.

Contenuti

1) Richiami di elettromagnetismo. Teoria dei circuiti e teoria dei campi elettromagnetici. Modelli a parametri distribuiti e a parametri concentrati. Equazioni di Maxwell in forma differenziale e integrale. Formulazione delle Equazioni di Maxwell in termini di potenziale scalare elettrico, potenziale scalare magnetico, potenziale vettore magnetico. Condizioni al contorno. Soluzioni analitiche e numeriche di modelli elettromagnetici e applicazione. Procedimenti generali per il calcolo di resistenze, capacità e induttanze. (10 lezione frontale + 4 esercitazione)

2) Equazioni d’onda e loro soluzioni. Tipi d’onda fondamentali: TEM, TM, TE.
Onde elettromagnetiche piane in mezzi privi di perdite. Polarizzazione delle onde. Onde elettromagnetiche piane in mezzi con perdite: buoni dielettrici, buoni conduttori e gas ionizzati. Skin depth o profondità di penetrazione delle onde elettromagnetiche piane in un conduttore. Velocità di Fase e Velocità di Gruppo. ( 10 lezione frontale +3 esercitazione)

3) Energia e forze elettromagnetiche: vettore Poynting di e teorema di Poynting.
Onde elettromagnetiche piane. Polarizzazione delle onde piane. Onde piane nei mezzi dissipativi. Skin depth o profondità di penetrazione delle onde elettromagnetiche piane in un buon conduttore. Incidenza normale e obliqua delle onde elettromagnetiche su una superficie conduttrice o dielettrica: legge di Snell. Incidenza normale e obliqua delle onde elettromagnetiche in un’interfaccia tra due dielettrici: angolo di riflessione, angolo di trasmissione e angolo di rifrazione. Riflessione totale. (10 lezione frontale +3 esercitazione)

4) Magnetoidrodinamica: Premesse. Definizioni; Plasmi a bassa temperatura; Equazioni fondamentali; Numeri caratteristici: Numero di Reynolds cinetico e magnetico, Numero di Hartmann, parametro d’interazione; Classificazione dei problemi MHD Magnetoidrodinamica.
Applicazioni fondamentali. Flusso di Hartmann; flusso rotante del plasma; Turbolenza MHD; Effetto dinamo. Energia. Processo di conversione dell’energia mediante plasmi. Pompaggio e propulsione MHD. Applicazioni a processi industriali. Crescita di cristalli, Celle elettrolitiche, Scambiatori di calore nei reattori nucleari a fusione e a fissione. (10 lezione frontale )

5) Plasmi e Fusione termonucleare controllata. Modalità di confinamento dei plasmi. I reattori a confinamento magnetico.
Il Tokamak: configurazione, sistemi di riscaldamento, equilibrio e stabilità. Disrupzioni.
Lo stato di avanzamento della ricerca dei reattori i reattori a fusione nucleare: reattori esistenti e reattori in fase di realizzazione. (10 lezione frontale )

6) Teoria e applicazioni delle linee di trasmissione (Solo per gli studenti di Ingegneria Elettrica). Linee di trasmissione: linee di trasmissione a piatti metallici paralleli con perdite, cavi coassiali, Microstrip lines (stripline a triplate line). Equazioni generali delle linee di trasmissione. Impedenza caratteristica della linea. Adattamento di impedenza per le linee di trasmissione. (20 lezione +10 esercitazione)

Argomenti sviluppati durante le esercitazioni:
Metodi numerici per la risoluzione dei campi: metodo agli elementi finiti. Formulazione variazionale. Utilizzo di codici agli elementi finiti. Applicazioni per simulazioni di problemi reali:
Soluzione di problemi di campo elettrostatico e di corrente
Soluzione di problemi elettromagnetici bidimensionali: Analisi statiche, Analisi armoniche, Analisi transitorie
Soluzione di problemi elettromagnetici tridimensionali: Analisi statiche (potenziali scalari e potenziale vettore); Analisi armoniche; Analisi transitorie
Trattazione di problemi elettromagnetici che coinvolgono circuiti a parametri concentrati.

Metodi Didattici

Il corso consiste in 70 ore di lezione frontale e 20 ore di esercitazione (50 e 10 per gli studenti di Ingegneria Energetica) con computer per la modellazione dei sistemi studiati, utilizzando un software applicativo del metodo numerico degli elementi finiti multi fisico (Comsol Multiphysics) e stesura di relazioni in formato elettronico.

-Metodi di Insegnamento: lezioni frontali con uso della lavagna e del proiettore. Applicazione nel laboratorio informatico dei metodi analitici e numerici studiati.

-Strumenti Didattici: uso di lavagna luminosa, proiettore e computer per le simulazioni nel laboratorio informatico.

Verifica dell'apprendimento

Prova teorica

Per la prova teorica sono ammesse due possibilità per la verifica di apprendimento:

1. Due verifiche scritte in itinere, con quesiti su argomenti teorici.
2. Una prova di valutazione orale complessiva, concordando la data dell’esame con il docente.
(Sinora la maggior parte degli studenti hanno preferiscono la prima soluzione).
Con una delle modalità d’esame ammesse lo studente dovrà:
• dimostrare di conoscere gli argomenti teorici,
• saper interpretare i modelli analitici espressi con le equazioni integro-differenziali,
• conoscere le finalità dello studio dei singoli contenuti e lo stato dell’arte delle applicazioni più importanti.

Prova pratica

La prova pratica consiste nella stesura di una tesina sulla risoluzione di problemi elettromagnetici proposti dal docente sia con i metodi analitici e che mediante metodi numerici applicando il Metodo agli Elementi Finiti FEM con l’utilizzo del software commerciale COMSOL Multiphysics.
Lo studente dovrà dimostrare di conoscere e saper applicare i metodi e le tecniche per la modellazione e l''''analisi dei sistemi elettromagnetici la capacità di utilizzarle in modo appropriato e critico per la soluzione di semplici problemi individuandone gli aspetti caratteristici. Deve inoltre discutere e confrontare i risultati ottenuti con i metodi analitici tradizionali basati su ipotesi semplificative e quelli ottenuti con i metodi numerici sapendo impostare la mesh ottimale.

In entrambe le prove lo studente dovrà esporre gli argomenti utilizzando i termini tecnici appropriati in italiano e in inglese, dimostrando anche padronanza e conoscenza dei prerequisiti richiesti, una buona capacità di sintesi, la capacità di autonomia ed analisi critica.
Il punteggio della prova d'esame è attribuito mediante una media dei risultati ottenuti in tutte prove previste.

Testi

1) David K. Cheng, Field and Wave Electromagnetics, Addison Wesley Publishing Company
2)F. Barozzi, F. Gasparini, Fondamenti di Elettrotecnica: Elettromagnetismo, UTET
3) C. G. Someda, Onde Elettromagnetiche, UTET
4) M. Guarnieri, Gaetano Malesani, Campi Elettromagnetici, Edizione Libraria Progetto Padova
5) M. V. Chiari & P. P. Silvester, Finite Elements in Electrical and Magnetic field problems, John Wiley & Sons (2955 EG)
6) John Wesson, Tokamaks, Clarendon press Oxford 2004
7) R. Moreau,Magnetohydrodynamics, Kluwer Academics Publishers
8) Roland Berton, Magnetohydrodinamique, Masson , Paris
9) Hugo k. Messerle, Magneto-Hydro-Dinamic Electrical Power Generation, John Wiley &Sons

ALTRO MATERIALE

Nella pagina web: http://people.unica.it/mariangelausai/didattica/materiale-didattico-2/elettromagnetismo-applicato-alla-ingegneria-elettrica-ed-energetica/slide/ nel sito personale di Mariangela Usai della Università di Cagliari

Altre Informazioni

Nella pagina web:
http://people.unica.it/mariangelausai/didattica/
sono disponibili le slide aggiornate su tutti gli argomenti trattati nel corso

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