Programmi e Insegnamenti

 

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

Anno Accademico ​2019/2020

Docente
GIULIANA ​SIAS (Tit.)
AUGUSTO ​MONTISCI
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. 2018] ​ ​PERCORSO COMUNE660
Obiettivi

Lo studente dovrà:
-acquisire la conoscenza e la comprensione delle teorie e dei modelli dell’elettromagnetismo. Essere in grado di utilizzare un software applicativo del metodo agli Elementi Finiti, attraverso il quale applicare la teoria e i modelli per determinare mediante simulazione numerica i valori dei campi e valutarne quantitativamente gli effetti.(knowledge, applying knowledge and understanding)
-avere la capacità di interpretare correttamente i risultati ottenuti utilizzando il software applicativo del metodo numerico degli elementi finiti. Avere la capacità di prendere decisioni autonome, discutere problemi e soluzioni. (judgments-making)
-avere la capacità di comunicare attraverso elaborazioni scritte e discussioni orali. (communication skills)
-acquisire le conoscenze dei termini tecnici in inglese. Acquisire la capacità di comprendere correttamente testi di letteratura tecnica e scientifica attinente. (learning skills)

Obiettivi

Lo studente dovrà:
-acquisire la conoscenza e la comprensione delle teorie e dei modelli dell’elettromagnetismo. Essere in grado di utilizzare un software applicativo del metodo agli Elementi Finiti (FEM), attraverso il quale applicare la teoria e i modelli per determinare mediante simulazione numerica i valori dei campi e valutarne quantitativamente gli effetti. (applying knowledge and understanding)
-avere la capacità di interpretare correttamente i risultati ottenuti utilizzando il software FEM. Avere la capacità di prendere decisioni autonome, discutere problemi e soluzioni. (judgments-making)
-avere la capacità di comunicare attraverso elaborazioni scritte e discussioni orali. (communication skills)
-acquisire le conoscenze dei termini tecnici in inglese. Acquisire la 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

Parte I – Applicazioni Ingegneristiche dei Plasmi (60 CFU)
-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 (20 ore teoria + 6 esercitazione)
-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 ore teoria + 4 esercitazione)
-Fusione termonucleare controllata. Modalità di confinamento dei plasmi. I reattori a confinamento magnetico. Il Tokamak: configurazione, sistemi di riscaldamento, equilibrio e stabilità. Disrupzioni. Lo Stellarator. Lo stato dell’arte della ricerca dei reattori a fusione nucleare: problemi aperti (10 ore teoria + 4 esercitazione)
Tecniche numeriche nell’Elettromagnetismo. Richiami sui metodi analitici. Metodo alle Differenze Finite. Metodi variazionali. Metodo dei Momenti. Metodo agli Elementi Finiti. Utilizzo di codici agli elementi finiti. Risoluzione di problemi ingegneristici con codici agli Elementi Finiti. (6 ore complessive)

Parte II –Elettromagnetismo applicato allo stato solido (30 CFU)
-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. Vettore di Poynting 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 conduttore. Velocità di Fase e Velocità di Gruppo. Incidenza normale e obliqua delle onde elettromagnetiche (8 ore di teoria + 2 di esercitazione)
-Linee di trasmissione. Linee di trasmissione a piatti metallici paralleli con perdite, cavi coassiali, Microstrip lines. Equazioni generali delle linee di trasmissione. Impedenza caratteristica della linea. Adattamento di impedenza per le linee di trasmissione (4 ore di teoria + 1 di esercitazione)
-Schermatura del campo elettromagnetico. Efficienza di schermatura. Campi statici e dinamici. Il modello della linea di trasmissione. Schermi conduttori, Schermi a bassa frequenza e a radiofrequenza. Schermi piani multistrato (4 ore di teoria + 1 di esercitazione)

Contenuti

Parte I – Applicazioni Ingegneristiche dei Plasmi (60 CFU)
-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 (20 ore teoria + 6 esercitazione)
-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 ore teoria + 4 esercitazione)
-Fusione termonucleare controllata. Modalità di confinamento dei plasmi. I reattori a confinamento magnetico. Il Tokamak: configurazione, sistemi di riscaldamento, equilibrio e stabilità. Disrupzioni. Lo Stellarator. Lo stato dell’arte della ricerca dei reattori a fusione nucleare: problemi aperti (10 ore teoria + 4 esercitazione)
-Tecniche numeriche nell’Elettromagnetismo. Richiami sui metodi analitici. Metodo alle Differenze Finite. Metodi variazionali. Metodo dei Momenti. Metodo agli Elementi Finiti. Utilizzo di codici agli elementi finiti. Risoluzione di problemi ingegneristici con codici agli Elementi Finiti. (6 ore complessive)

Parte II –Elettromagnetismo applicato allo stato solido (30 CFU)
-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. Vettore di Poynting 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 conduttore. Velocità di Fase e Velocità di Gruppo. Incidenza normale e obliqua delle onde elettromagnetiche (8 ore di teoria + 2 di esercitazione)
-Linee di trasmissione. Linee di trasmissione a piatti metallici paralleli con perdite, cavi coassiali, Microstrip lines. Equazioni generali delle linee di trasmissione. Impedenza caratteristica della linea. Adattamento di impedenza per le linee di trasmissione (4 ore di teoria + 1 di esercitazione)
-Schermatura del campo elettromagnetico. Efficienza di schermatura. Campi statici e dinamici. Il modello della linea di trasmissione. Schermi conduttori, Schermi a bassa frequenza e a radiofrequenza. Schermi piani multistrato (4 ore di teoria + 1 di esercitazione)

Metodi Didattici

-Il corso consiste in 70 ore di lezione frontale e 20 ore di esercitazione.
-Le esercitazioni verranno svolte utilizzando un software FEM. Per ciascuna esercitazione è prevista la redazione di una relazione scritta.
-Metodi di Insegnamento: lezioni frontali con l’ausilio di lucidi messi a disposizione degli studenti all’inizio del corso.
-Strumenti Didattici: computer per le simulazioni nel laboratorio informatico.

Metodi Didattici

-Il corso consiste in 70 ore di lezione frontale e 20 ore di esercitazione.
-Le esercitazioni verranno svolte utilizzando un software applicativo del metodo agli elementi finiti multi fisico. Per ciascuna esercitazione è prevista la redazione di una relazione scritta.
-Metodi di Insegnamento: lezioni frontali con l’ausilio di lucidi messi a disposizione degli studenti all’inizio del corso.
-Strumenti Didattici: computer per le simulazioni nel laboratorio informatico.

Verifica dell'apprendimento

La verifica consiste in una prova teorica e una prova pratica
Per la verifica della conoscenza degli argomenti teorici sono ammesse due possibilità :
1. Due verifiche scritte in itinere.
2. Una prova di valutazione orale complessiva sostenuta alla fine del corso, concordando la data dell’esame con il docente.
La prova pratica consiste nella stesura di una tesina sulla risoluzione, con i metodi analitici o mediante metodi numerici applicando il Metodo agli Elementi Finiti, di un problema elettromagnetico concordato tra docente e studente

Attraverso la prova teorica 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 . Attraverso la prova pratica, lo studente dovrà dimostrare di conoscere e saper applicare i metodi e le tecniche per la modellazione e l'analisi dei sistemi elettromagnetici ed essere in grado di utilizzarle in modo appropriato e critico per la soluzione del problema in esame.
In entrambe le prove lo studente dovrà esporre gli argomenti utilizzando i termini tecnici appropriati in italiano e in inglese, dimostrando padronanza e conoscenza dei prerequisiti richiesti, una buona capacità di sintesi, autonomia ed analisi critica. Le prove orali potranno essere sostenute in lingua inglese Le prove orali potranno essere sostenute in lingua inglese

Il punteggio della prova d'esame è attribuito mediante una media dei risultati ottenuti in tutte prove previste.

Verifica dell'apprendimento

La verifica consiste in una prova teorica e una prova pratica.
Per la verifica della conoscenza degli argomenti teorici sono ammesse due possibilità:
1. Due verifiche scritte in itinere.
2. Una prova di valutazione orale complessiva sostenuta alla fine del corso, concordando la data dell’esame con il docente.
La prova pratica consiste nella stesura di una tesina sulla risoluzione, con i metodi analitici o mediante metodi numerici applicando il Metodo agli Elementi Finiti, di un problema elettromagnetico concordato tra docente e studente.

Attraverso la prova teorica 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 . Attraverso la prova pratica, lo studente dovrà dimostrare di conoscere e saper applicare i metodi e le tecniche per la modellazione e l'analisi dei sistemi elettromagnetici ed essere in grado di utilizzarle in modo appropriato e critico per la soluzione del problema in esame.
In entrambe le prove lo studente dovrà esporre gli argomenti utilizzando i termini tecnici appropriati in italiano e in inglese, dimostrando padronanza e conoscenza dei prerequisiti richiesti, una buona capacità di sintesi, autonomia ed analisi critica. Le prove orali potranno essere sostenute in lingua inglese Le prove orali potranno essere sostenute in lingua inglese

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

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