Elettromagnetismo per la Trasmissione dellInformazione Prof. Marco Farina Dipartimento di Bioingegneria, Elettronica e Telecomunicazioni

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  • Elettromagnetismo per la Trasmissione dellInformazione Prof. Marco Farina Dipartimento di Bioingegneria, Elettronica e Telecomunicazioni
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  • Modalit Esami Prova scritta Auto-correzione Prova orale
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  • Testi consigliati Ramo-Whinnery-Van Duzer: Campi e Onde nellelettronica delle Telecomunicazioni R. Feynman, La Fisica di Feynman, vol 2: Elettromagnetismo e Materia, Zanichelli
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  • Un po di storia... n William Gilbert (1544-1603): De Magnete; la terrella; distinzione fenomeni elettrici e magnetici; n Otto Von Guericke (1602-1686): ingegnere; studi sul vuoto; primo generatore con sfera di zolfo n Stephen Gray (1666-1736): conduttori ed isolanti n Charles Dufay (1698-1739): chimico; elettricit vetrosa e resinosa n Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) di Leida: fisico; il primo condensatore n John Canton (1718-1772): induzione elettrica n Benjamin Franklin (1706-1790): tipografo, giornalista, inventore, politico Conservazione della carica, propriet dei corpi appuntiti n Charles Augustine de Coulomb (1736-1806): ingegnere; legge quantitativa
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  • Un po di storia... n Henry Cavendish (1731-1810): pi famoso per contributi in chimica; analogo di Coulomb, e studi su capacit di condensatori di forme diverse (definizione di capacit) n Joseph Louis Lagrange (1736-1813): il concetto di potenziale n Pierre Simon De Laplace (1749-1827) n Simon Denis Poisson (1781-1840) n George Green (1793-1841) n Carl Friederich Gauss (1777-1875) n Alessandro Volta (1745-1827): elettroforo, elettrometro, eudiometro, pila n Hans Christian Oersted (1777-1851): effetti magnetici delle correnti n Andr-Marie Ampre (1775-1836): leggi dellazione meccanica tra correnti elettriche n Michael Faraday (1791-1867): attivit colossale (leghe dellacciaio, rotazioni elettromagnetiche, liquefazione dei gas, vetri ottici, scoperta del benzene, induzione elettromagnetica, decomposizione elettrochimica, scariche nei gas, benzene, elettricit e magnetismo, diamagnetismo. Il pi grande fisico sperimentale del XIX secolo
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  • Un po di storia... n James Clerk Maxwell (1831-1879):teoria dellelettromagnetismo (Treatise on electricity and Magnetism), termodinamica e meccanica statistica. Maxwell intu che la luce era una manifestazione del campo elettromagnetico Da una lettera di Faraday a Maxwell nel 1857:...C qualcosa che mi piacerebbe chiederle. Quando un matematico impegnato sulla ricerca delle azioni e sugli effetti fisici giunto alle sue conclusioni, non possibile che queste ultime siano esposte nel linguaggio di tutti i giorni, con la pienezza, chiarezza e precisione che esse hanno nelle formule matematiche? E, in caso affermativo, il farlo non sarebbe un gran dono verso uno come me? Tradurle dal linguaggio dei geroglifici in cui sono espresse, cos che anche uno come me vi possa lavorar su per mezzo di esperimenti. n Heinrich Hertz (1857-1894):Generazione/rivelazione onde EM: prove della teoria di Maxwell
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  • Struttura dellatomo Negli anni 30 J.J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr e James Chadwick sviluppano il modello di tipo planetario, con un nucleo di protoni e neutroni circondato di una nube di elettroni Z = numero atomico A = numero di massa Nel Nucleo: Z protoni A Z neutroni Z elettroni esterni 10 -10 m 10 -15 m
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  • Struttura dellatomo non prendete troppo sul serio lidea planetaria... nessuna possibilit di trovarci sopra dei lillipuziani... Del resto: perch un elettrone non cade nel nucleo? Non c spiegazione nella meccanica classica La spiegazione nel principio di indeterminazione della meccanica quantistica, che stabilisce che alcune quantit (coniugate) non sono misurabili simultaneamente con precisione arbitraria; lincertezza nella misura di grandezze coniugate tale che il loro prodotto non pu essere migliore di una costante (legata alla costante di Plank) (a meno di qualche fattore 2 e ) Se elettrone e protone in un atomo di idrogeno finissero lun laltro, la quantit di moto tenderebbe a crescere fino ad infinito: il raggio dellidrogeno un compromesso tra la forza attrattiva e lenergia cinetica imposta dal principio di indeterminazione
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  • Struttura dellatomo supponete che a sia il raggio dellatomo la quantit di moto sarebbe dellordine e lenergia cinetica La forza elettrica attrattiva dar allelettrone unenergia potenziale Lenergia totale la somma dei due: vediamo a che distanza a lenergia minimizzata raggio di Bohr.
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  • Struttura dellatomo Negli anni 50 Reines e Cowan dimostrano lesistenza di un ulteriore tipo di particella, predetta da Wolfgang Pauli negli anni 30: il Neutrino Alla fine degli anni 30 nei raggi cosmici si identifica un cugino pesante dellelettrone, il Muone (200 volte pi pesante, per il resto identico allelettrone) e pi tardi, negli accelleratore di particelle, un altro cugino, Tau Nelle collisioni ad altissime energie, volte riprodurre condizioni successive al Big Bang, si identificano due parenti del neutrino, denominati muon-neutrino e tau-neutrino Neutrini, muoni e tau non sono costituenti della materia, e quelli ottenuti negli accelleratori sono di solito particelle effimere.
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  • Struttura dellatomo Nel 68 a Stanford si scopre che protoni e neutroni NON sono fondamentali: essi sono composti da combinazioni di QUARK (QUestion mARK) denominati SU e GIU (Up/Down), che hanno carica elettrica +2/3 e -1/3 rispetto alla carica dellelettrone rispettivamente ci sono 2 UP ed 1 Down in un protone e viceversa in un neutrone Particelle non elementari composte da combinazioni di Quark vengono anche definiti Adroni, che si distinguono dai Leptoni (elettrone, muone, tau) che non hanno altri costituenti e non sono sensibili alla Forza Forte
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  • Zoologia delle particelle Particelle elementari (Fermioni) +antiparticelle (identiche con carica opposta)
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  • Combinazioni di Quark danno origine a: - Barioni, composti da 3 quark (come neutrone e protone) - Barioni esotici (4, 5 quark) - Mesoni (quark+anti-quark): pioni, kaoni.. Zoologia delle particelle
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  • Le Forze Ad oggi tutte le interazioni sembrano ricondursi a 4 forze fondamentali n Interazione Elettromagnetica n Interazione Gravitazionale n Interazione Nucleare Forte n Interazione Nucleare Debole
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  • Le Forze e i quanti Cera un tempo in cui i giornali scrivevano che solo 20 persone avevano capito la teoria della relativit. Non credo che tale tempo sia mai esistito. Potrebbe essere esistito un tempo in cui un solo uomo laveva capita perch lunico a concepirla, prima di scrivere il suo articolo. Ma dopo aver letto larticolo molti capirono la teoria della relativit, in un modo o nellaltro, sicuramente pi di venti. Daltro canto posso affermare con sicurezza che nessuno capisce la meccanica quantistica Richard Feynman
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  • Il paradosso alla fine del 1800 n Data una cavit metallica, si valutano le soluzioni dellinsieme equazioni di Maxwell+condizioni al contorno Si verifica che solo un numero discreto di modi sono possibili, ovvero onde che hanno in ciascuna direzione un numero donda pari ad un multiplo discreto di /L, se L la dimensione in tale direzione della cavit n Tuttavia il numero di modi possibili, sebbene discreto, infinito n Luso della termodinamica classica (Rayleigh e Jeans) portava a prevedere che, ad una data temperatura, tutti i modi venissero eccitati con la stessa ampiezza: lenergia totale del sistema (integrale su tutti i modi)=infinito!
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  • Lipotesi di Planck n Energia fornita per pacchetti interi (quanti) n Lenergia minima di unonda proporzionale alla frequenza dellonda stessa Nella cavit alcuni modi avranno minima energia associata (il pacchetto pi piccolo) troppo elevata per essere eccitati: ad una data temperatura solo un numero finito di modi eccitato!
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  • Lipotesi di Planck: applicazione alla radiazione di corpo nero n Occorreva solo stabilire sperimentalmente la costante di proporzionalit: la costante di Planck: h ~ 6.6 10 -34 Js Con laggiustamento di un solo parametro si aveva un accordo perfetto con lesperimento: premio Nobel 1918 Legge di Planck Legge di Rayleigh- Jeans
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  • Effetto Fotoelettrico n Un metallo colpito da luce, pu emettere elettroni n Se si aumenta lintensit della luce, non aumenta lenergia cinetica degli elettroni, ma il numero di elettroni emessi n Se si aumenta la frequenza della luce incidente, aumenta lenergia cinetica degli elettroni Spiegazione (Einstein; 1905): la luce ha natura corpuscolare (fotoni) che hanno energia E=h f
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  • Quindi corpuscoli o onde ? Credits: Dr. Tonomura Come reinterpretare i fenomeni luminosi in termini corpuscolari: Feynman http://vega.org.uk/video/subseries/8
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  • Tornando alle interazioni I fotoni sono i quanti o i mediatori (particelle) delle forze elettriche (elettromagnetiche); quali per le altre forze? Il nostro corso
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  • Esistono fattori comuni? n Molti fisici teorici sono alla ricerca di una TOE (Theory Of Everything) cercando una spiegazione comune a tanta variet di particelle n Apparentemente gravit e le altre interazioni sottostanno a leggi inconciliabili (relativit generale e meccanica quantistica) n Le due teorie pi promettenti sono quelle dei Twistors (Roger Penrose, 1970) e quella delle Stringhe (1968-1970 circa) n Nel 2003 Edward Witten ha collegato le