Fisica. Elettromagnetismo e Onde

PREFAZIONE

Quest’opera si propone come testo per i corsi di Fisica Generale per gli studenti delle Scuole di Scienze e di Ingegneria. A vari anni dall’entrata in vigore della riforma universitaria e a seguito delle esperienze consolidatesi nell’insegnamento della Fisica come “materia di base”, anche con alterne vicende circa l’opportuno grado di complessità e approfondimento da impartire negli insegnamenti dei primi anni delle lauree triennali, riteniamo utile proporre quest’opera, articolata in due volumi. Gli argomenti trattati sono quelli classici degli insegnamenti dei corsi di Fisica I e Fisica II (aventi denominazioni spesso differenti e diversi valori dei crediti formativi ad essi assegnati) presenti negli ordinamenti dei Corsi di Studio delle Scuole sopra citate: la Meccanica Classica, la Termodinamica, l’Elettromagnetismo e i Fenomeni ondulatori, con l’inclusione, nel Secondo Volume, di parti significative inerenti alla Fisica Atomica, alla struttura della materia e alla Teoria della Relatività, che ormai non possono essere tralasciate anche a livello di un corso di base. 

L’intento dell’opera è quello di fornire un “percorso principale” di studio, preservando in esso il necessario grado di rigore ed esaustività che riteniamo irrinunciabile in un corso universitario a carattere prettamente scientifico-ingegneristico, che il docente possa adattare alle esigenze specifiche del suo insegnamento, arricchendolo con i numerosi esempi ed approfondimenti proposti e
chiaramente evidenziati nel testo. In particolare gli esempi sono proposti in maniera tale da stimolare e sviluppare l’attitudine dello studente al ragionamento, fornendo inizialmente uno spunto e una traccia di possibile soluzione del problema posto, e solo al termine di ogni capitolo dando una soluzione completa dello stesso. In tali esempi spesso ci si richiama a situazioni fisiche realistiche, operando e discutendo le approssimazioni/semplificazioni necessarie per rendere il problema affrontabile, in questo di nuovo cercando di stimolare le capacità di ragionamento e di spirito critico del discente. In maniera complementare sono inoltre proposti degli approfondimenti che se da un lato arricchiscono dal punto di vista culturale lo studio da parte dello studente più motivato, dall’altro contribuiscono a meglio comprendere gli argomenti svolti, talora anticipando in modo il più possibile semplice ed autoconsistente argomenti tradizionalmente affrontati in corsi più avanzati. Infine, al termine di ogni capitolo sono offerti vari esercizi, di complessità e difficoltà confrontabili con quelle usualmente proposte nelle prove scritte d’esame; la soluzione sinteticamente svolta contribuisce ulteriormente alla comprensione degli aspetti applicativi della materia. 

U. Gasparini, M. Margoni, F. Simonetto

INTRODUZIONE

“DON’T PANIC”
D. Adams, “The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy”

Il Secondo Volume di quest’opera copre gli argomenti che tradizionalmente sono oggetto dei programmi del secondo corso di Fisica in genere seguito dagli studenti dei corsi di laurea di Fisica, Ingegneria, Matematica. Essi riguardano l’Elettromagnetismo e le Onde. 

L’Elettromagnetismo, cui sono dedicati i Capitoli da 1 a 11, studia le interazioni elettromagnetiche tra corpi elettricamente carichi; nei primi sette capitoli vengono descritti i fenomeni elettrici e magnetici in situazioni statiche, ossia nelle quali non si hanno variazioni nel tempo delle grandezze fisiche sorgenti dei campi elettrici e magnetici. In tali situazioni questi fenomeni appaiono
come indipendenti, e le equazioni che li descrivono sono tra loro disaccoppiate. Nei Capitoli da 8 a 11 si affronta lo studio di ciò che accade quando cariche e correnti elettriche variano nel tempo, mettendo in evidenza la profonda interdipendenza dei campi elettrici e magnetici variabili nel tempo e come si debba quindi parlare inclusivamente di interazione elettromagnetica e di fenomeni
elettromagnetici, arrivando alla predizione e alla scoperta delle onde elettromagnetiche. Nei Capitoli da 12 a 14 si studiano i fenomeni ondulatori, con particolare riguardo appunto alle onde elettromagnetiche, alla loro propagazione nello spazio vuoto e alla loro interazione con la materia, discutendo, nel Capitolo 13, alcune proprietà della radiazione che portarono agli inizi del secolo scorso alla formulazione della teoria dei quanti di luce e, successivamente, della Meccanica Quantistica (oggetto dei corsi di Fisica più avanzati). Nel Capitolo 14 vengono discussi in dettaglio i fenomeni dell’interferenza e della diffrazione, propri del comportamento ondulatorio. Infine, il Capitolo 15 è dedicato ad introdurre le nozioni basilari della teoria della Relatività Ristretta
sviluppata da Albert Einstein agli albori del Novecento, cui più volte si fa cenno nei capitoli precedenti come naturale sbocco della teoria elettrodinamica compendiata nelle equazioni di Maxwell, la cui predizione dell’invarianza della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche rispetto a diversi sistemi di riferimento porta necessariamente ad una profonda revisione dei concetti di
tempo e spazio, quale appunto emerge dalla teoria einsteiniana.