Università di Napoli Federico II – Facoltà di Ingegneria
Programma del corso di
Modellistica elettromagnetica dei materiali
Corso di Laurea Magistrale Ingegneria Elettrica - 6 CFU
Programma del corso di
Proprietà elettromagnetiche dei materiali
Corso di Laurea Magistrale Ingegneria dei Materiali - 9 CFU
prof. Giovanni Lupò
Napoli – marzo 2013
Il programma fa riferimento al materiale didattico presente sul sito www.elettrotecnica.unina.it
Gli argomenti indicati con asterisco (*) sono rivolti specificamente agli allievi di Ingegneria dei Materiali ; essi non fanno parte del programma ufficiale degli allievi di Ingegneria Elettrica, ma si presumono acquisiti da corsi precedenti. Gli argomenti contrassegnati con (**) verranno semplicemente introdotti e quindi facoltativi; potranno tuttavia costituire oggetto di studio per tesi.
CAPITOLO I – CAMPI ELETTROMAGNETICI : RICHIAMI ED APPROFONDIMENTI
- 1.(*) Modello generale dell’elettromagnetismo - 2.(*) Le equazioni di Maxwell in forma locale - 3.(*) Forza di Lorent
- 4.(*) Sorgenti del campo elettromagnetico
- 5.(*) Richiami sulle proprietà fondamentali dei campi vettoriali - 6.(*) Potenziali elettromagnetici - Equazioni di Poisson - 7. (*) Campi ausiliari
- 8.(*) Problema di Laplace – Poisson
- 9.(*) Analogia tra campi vettoriali di natura elettromagnetica
- 10.(*) Risoluzione delle equazioni di Poisson e Laplace in casi fondamentali 10.1 Geometria piana (mezzo omogeneo)
10.2 Tempo di rilassamento di materiali omogenei 10.3 Geometria sferica (mezzi omogenei)
10.4 Applicazioni: il dispersore di terra emisferico
10.5 Geometria cilindrica (mezzi omogenei) – Cavo coassiale 10.6 Monospira
- 11.(*) Soluzioni analitiche dell’equazione di Laplace - Poisson 11.1 Principali proprietà delle funzioni armoniche 11.2 Rappresentazione dei campi armonici
11.3 Metodi di risoluzione analitica dell’equazione di Laplace 11.4 Risoluzione diretta (casi di simmetrie semplici)
11.5 Metodo della separazione delle variabili 11.6 Metodo della funzione di Green
11.7 Metodo delle funzioni analitiche - trasformazioni conformi (casi piani) 11.8 Soluzioni per composizione (casi bi- e tridimensionali) - Immagini - 12. Fattore di efficienza ( di Schwaiger)
- 13. Mezzi disomogenei
13.1 Caso piano 13.2 Caso cilindrico 13.3 Caso sferico
13.4(*) Il caso di mezzi ferromagnetici “ideali”
- 14. Metodi numerici per la risoluzione dei campi
14.1 Il metodo delle differenze finite (FDM) 14.2 Il metodo degli elementi finiti (FEM) 14.3 Il metodo di simulazione della carica (CSM) 14.4 (**) Metodo di Monte-Carlo
14.5 (**) Metodo degli elementi di frontiera (BEM)
15. Metodi sperimentali 15.1 Figure di polvere
15.2 Elettroarborescenza (treeing)
15.3 (**) Mappatura del campo con sonde (metodi diretti e metodi di zero)
16. (**) Metodi analogici
16.1 Metodo della vasca elettrolitica 16.2 Metodo della carta semiconduttiva
17.(**) Metodi grafici
17.1 Metodo di Lehmann (reticolo isometrico) 17.2 Metodo di Maxwell
18 (**) Cenni sulle macchine “elettrostatiche” e “magnetostatiche”: applicazioni 18.1 Triboelettricità – Piroelettricità- Piezoelettricità
18.2 Le macchine elettrostatiche 18.3 Elettrostrizione e Magnetostrizione 18.4 Precipitatori elettrostatici
18.5 Xerografia
18.6(*) Elettromagneti - Magneti permanenti 18.7 Materiali ferroelettrici - Elettreti
CAPITOLO II – MODELLI DI CONDUZIONE
- 1 . La conduzione elettrica
1.1 Conduttori metallici 1.2 Resistività
1.3 Materiali per resistori - materiali conduttori per applicazioni elettriche 1.4 Conduttori non metallici: il carbonio
1.4.1 Nanotubi in carbonio (CNT) - 2. Soluzioni elettrolitiche
- 3. La conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni)
- 4. Conduzione nei polimeri 4.1 Il poliacetilene
4.2 Poliparafenilene, polipirrolo, politiofene 4.3 Caratteristiche dei polimeri conduttivi 4.4 Polimeri conduttivi per rivestimenti 4.5 Materiali per isolamenti
4.6 Conduzione intrinseca (negli isolanti cristallini e polimerici) 4.7 Conduzione estrinseca (negli isolanti cristallini e polimerici) - 5. (**) Conduzione ionica e diffusione
5.1 Caratteristica tempo-corrente
5.2 Conduzione limitata da carica spaziale nei dielettrici
CAPITOLO III – IL MODELLO DIELETTRICO ED IL MODELLO MAGNETICO
- 1 .Introduzione al modello dielettrico - 2. Il modello “macroscopico”
- 3. Teoria molecolare o Modello “microscopico”
- 4. Polarizzabilità delle molecole
- 5. Influenza della temperatura sui fenomeni di polarizzazione - 6. Perdite e rilassamento nei dielettrici
- 7. (*) Perdite nei condensatori
- 8. Dipendenza della costante dielettrica complessa e del fattore di perdita dalla frequenza - 9. Caratterizzazione dinamica – Tempo di rilassamento
- 10.Circuiti equivalenti
- 11.Misura dei parametri circuitali equivalenti - 12 .(*) Introduzione al modello magnetico - 13. (*) I circuiti magnetici
- 14. (*) L’elettromagnete - 15. (*) I Magneti permanenti
CAPITOLO IV – CONDUZIONE E SCARICA NEI GAS
- 1 .Cinetica dei gas
- 2. Collisioni tra particelle – sezione d’urto - 3. Urti elastici
- 4. Urti anelastici - 5. Conseguenze dell’urto
- 6. Potenziali di ionizzazione – Sezione d’urto per ionizzazione - 7. Sezione d’urto per fotoionizzazione
- 8 Termoionizzazione - 9. Ricombinazione - 10.Attaccamento - 11. Mobilità - 12. Diffusione
- 13.Fenomeni di conduzione e scarica nei gas - 14.Il primo coefficiente di Townsend - 15.Il secondo coefficiente di Townsend - 16.Il criterio di scarica di Townsend - 17.La legge di Paschen
- 18.Limiti del modello di Townsend
- 19 – Il modello streamer (positivo)– Criterio di Meek - 20 – Il mid-gap streamer – lo streamer negativo - 21 – Deviazioni e diramazioni dello streamer
- 22 – Effetto Penning - 23 - Recupero del dielettrico
- 24 – Campo applicato (geometrico) non uniforme - 25 – Scarica su lunga distanza – Formazione del leader - 26 – Modello del leader
- 27 – Caratteristiche di scarica su lunghe distanze in funzione del tempo di salita dell’impulso di tensione - 28 – Caratteristiche di scarica su lunghe distanze in funzione delle modalità di applicazione della tensione
CAPITOLO V – CONDUZIONE E BREAKDOWN NELL’ATMOSFERA
- 1 . Il fulmine (cenni storici)
- 2. Fenomeni elettrici naturali nell'atmosfera
- 3. Disturbi derivanti da fenomeni elettromagnetici "naturali”
- 4. Correnti di conduzione nell’aria
- 5. Separazione di cariche nelle nubi – correnti di precipitazione - 6. Classificazione dei fulmini
- 7. Formazione e sviluppo dei fulmini - 8. Mappe isocerauniche
- 9. Registrazioni al suolo – Localizzazione delle sorgenti - 10. Fase di pre-breakdown
- 11. Sequenza di componenti tipiche del fulmine - 12. Modelli di fulmine – Modello canale - 13. Modello topologico del fulmine - 14. Sviluppo del leader
- 15. Intercettazione – Salto finale
- 16. Modello del colpo di ritorno nel fulmine nube-terra - 17. Campi elettromagnetici generati dal fulmine
- 18 .Fasi successive al colpo di ritorno nel fulmine nube terra - 19. Dati riassuntivi sul fulmini
- 20. Effetti del fulmine- Cenni sulla normativa - 21 Sovratensioni su strutture e linee di trasmissione - 22. Altri tipi di fulmine
- 23. Prove di laboratorio
CAPITOLO VI – CONDUZIONE E SCARICA NELL’ALTO VUOTO
- 1 .Proprietà elettriche dell’alto vuoto
- 2. Emissione di elettroni da superfici metalliche - 3. Tensione di scarica
- 4. Meccanismi di scarica - 5. Criterio di scarica - 6. Spaziatori
CAPITOLO VII– CONDUZIONE E SCARICA NEI LIQUIDI
- 1 .Proprietà dei dielettrici liquidi
- 2. Fenomeni di scarica nei dielettrici liquidi puri - 3. Fenomeni di scarica nei dielettrici liquidi commerciali
CAPITOLO VIII– CONDUZIONE E SCARICA NEI SOLIDI
- 1 .Introduzione
- 2. Classificazione dei meccanismi di scarica nei solidi - 2.1 Scarica intrinseca
- 2.2 Collasso elettromeccanico - 2.3 Collasso termico
- 2.4 Scarica in campo non uniforme – Scarica interna per arborescenza (Treeing) - 2.5 Scarica in campo non uniforme – Scarica per tracciamento superficiale - 2.6 Determinazione del campo critico. Considerazioni statistiche
- 3.Le scariche parziali : Cenni storici – Aspetti generali - 4. La misura e l’interpretazione di scariche parziali.
CAPITOLO IX – FENOMENI DI DEGRADO NEI MATERIALI ISOLANTI
- 1. Il Comportamento a lungo termine dei materiali isolanti – L’assorbimento d’acqua - 2. Requisiti per i materiali isolanti
- 3. Influenza dell'assorbimento d'acqua sulle proprietà elettriche di materiali compositi organici per isolamenti elettrici
CAPITOLO X– ESPERIENZE DI LABORATORIO
- 1.Il Laboratorio Alte Tensioni del Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIEL) - 2. Il Laboratorio Circuiti e Diagnostica del DIEL
- 3.Il generatore AT a frequenza industriale - 4.Il generatore AT ad impulsi
- 5 Esercitazione : taratura del generatore ad impulso - 6.Esercitazione: figure di scarica ad impulso
- 7. Esercitazione: l’effetto corona
APPENDICE I – UNITA’ DI MISURA
APPENDICE II- OPERATORI VETTORIALI
APPENDICE III – CENNI SULLE SORGENTI DEL CAMPO ELETTROMAGNETICO DI NATURA NON ELETTROMAGNETICA
AIII.1 Il campo elettromotore
AII.2 I generatori di tensione stazionaria
APPENDICE IV - INTRODUZIONE ALLA TECNICA DELLE ALTE TENSIONI (**)
- AIV.1 Didattica e Ricerca nelle Alte Tensioni
- AIV.2. Impianti elettrici in Alta Tensione - AIV.3. Componenti per Alte Tensioni
- AIV.4. Valutazione delle sollecitazioni permanenti e transitorie nei sistemi in Alta Tensione - AIV.5 Disturbi elettromagnetici associati a sistemi in Alta tensione
- A4V. Prove in Alta Tensione- Normativa
APPENDICE V – SOLUZIONI PROGETTUALI PER IL CONTROLLO DEL CAMPO ELETTRICO IN CORRISPONDENZA DELLA TERMINAZIONE IN MEDIA TENSIONE DI UN CAVO COASSIALE (**)
- AV.1. Il controllo del campo elettrico quasi stazionario.
1.1 Dielettrici omogenei
1.2 Strutture a controllo “intrinseco”
1.3 Dielettrici non omogenei 1.4 Esemplificazioni
1.5 Alcune risposte tecnologiche alle esigenze del controllo di campo elettrico - AV.2. Una terminazione di cavo MT: l’approccio circuitale lineare.
2.1 Introduzione: equazioni per il tubo di controllo di campo (SCT) 2.2 Analisi in regime sinusoidale
2.3 Scelta dei parametri di dimensionamento dello SCT - AV.3 Materiali impiegati per il controllo di campo.
- AV.4. Terminazioni con materiali non lineari.
4.1 Applicazione del metodo di Galerkin 4.2 Risultati esemplificativi
4.3 Considerazioni sul metodo risolutivo 4.4 Altre osservazioni
- AV.5. Riformulazione del problema in termini di campo 5.1 Impostazione
5.2 Primi risultati.
- AV.6. Bibliografia
BIBLIOGRAFIA
- 1 .Bibliografia relativa al cap I - 2. Bibliografia relativa al cap II - 3. Bibliografia relativa al cap III - 4. Bibliografia relativa al cap IV - 5. Bibliografia relativa al cap V - 6. Bibliografia relativa al cap VI - 7. Bibliografia relativa al cap VII - 8. Bibliografia relativa al cap VIII - 9. Bibliografia relativa al cap IX
INTRODUZIONE AL CORSO (2012/13)
Queste note sono rivolte agli studenti della Laurea Magistrale del Corso di Studi in Ingegneria Elettrica ed Ingegneria dei Materiali. Il Corso tiene conto del diverso percorso formativo seguito nei due corsi di laurea. In realtà, esso vuole essere, anche in un segmento avanzato degli studi, un approfondimento ingegneristico di una disciplina a carattere trasversale, che può avere comunque, nei due diversi settori, aspetti applicativi e ricadute significativamente differenziati.
Per permettere ad ambedue le classi di seguire con profitto sono ripresi, ampliati ed approfonditi in maniera critica i concetti di base dei campi elettromagnetici impartiti in Fisica; in tal modo saranno rivisitati, talvolta ex novo, i concetti fondamentali relativi ai campi elettrici e magnetici collegati formalmente dalle equazioni di Maxwell. Si punterà ad esempio al concetto di sollecitazione (stress) a cui è localmente sottoposto il materiale, anche per prevedere le prestazioni limiti del materiale stesso (strenght) oltre le quali si debbono prevedere condizioni di collasso (breakdown) più o meno reversibili.
Da un lato saranno studiate le prestazioni dei vari materiali (gassosi, liquidi, solidi, compositi e polifase) soggetti a campi elettrici e/o magnetici, con sollecitazioni eventualmente combinate con quelle termiche e meccaniche, al fine di individuare, nelle applicazioni, un comportamento a breve, medio e lungo termine.
Dall’altro, queste stesse specifiche ci permetteranno di effettuare l’opportuna diagnostica del materiale stesso, ad esempio per verificarne la congruità con le prestazioni nominali o per evidenziare la presenza o l’insorgere di difetti o di degrado di diversa natura; addirittura si potrà pensare di verificare la bontà del processo di formazione o cura nella produzione del materiale stesso.
Risulterà pertanto preliminare - ma con ricadute fondamentali – lo studio analitico-numerico dei campi in presenza di materiali, dapprima in configurazioni fondamentali, poi in configurazioni più complesse, di notevole interesse applicativo, anche progettuale.
Data la molteplicità degli argomenti trattabili, non tutti potranno avere lo stesso grado di approfondimento: il corso si propone, comunque, di mettere in evidenza quelli che sono gli aspetti metodologici nella ricerca e nell’analisi di modelli, con riferimento anche alle esperienze di laboratorio.
Se ne può dedurre che molti argomenti, anche se appena richiamati, potrebbero essere oggetto di attività di tirocinio e tesi.
Anche in vista di possibili approfondimenti in corsi di dottorato, vengono spesso presentati aggiornamenti e nuovi temi di studio e di ricerca.
Per informazioni, riferimenti ed ulteriori sussidi didattici, si visiti il sito www.elettrotecnica.unina.it , alla cartella dedicata.
Giovanni Lupò
