Insegnamento ALGORITMI PER LA DIAGNOSTICA NON DISTRUTTIVA DEI MATERIALI
| Nome del corso di laurea | Ingegneria dei materiali e dei processi sostenibili |
|---|---|
| Codice insegnamento | A002470 |
| Curriculum | Materiali per l'aerospazio |
| Docente responsabile | Riccardo Scorretti |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 9 |
| Regolamento | Coorte 2024 |
| Erogato | Erogato nel 2025/26 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Affine/integrativa |
| Ambito | Attività formative affini o integrative |
| Settore | ING-IND/31 |
| Anno | 2 |
| Periodo | Primo Semestre |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | ITALIANO (eventualmente in FRANCESE o in INGLESE) |
| Contenuti | L’insegnamento fornisce le competenze di base necessarie alla corretta dei materiali utilizzati nell’ambito della mobilità elettrica. I principali contenuti riguardano: richiami di meccanica quantistica e fisica statistica. Materiali conduttori: modelli di Drude, Sommerfeld e delle bande di energia. Materiali semiconduttori, giunzione PN. Materiali magnetici: diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo, ferrimagnetismo. Teoria della separazione dele perdite di Bertotti. Modelli di isteresi (Jiles-Atherton, Energy-based model, Preisach). Dimensionamento di un circuito magnetico. Cenni di geopolitica inerenti l’origine e le implicazioni etiche e sulle supply-chain dei materiali per l’ingegneria elettrica (guerre del coltan, etc.). |
| Testi di riferimento | Philippe Robert: Matériaux de l’électrotechnique (in francese). Vol. 2 del Traité d’électricité de l’Ecole Politéchnique de Lousanne, scaricabile gratuitamente (e legalmente) : https://www.epflpress.org/produit/792/9782889142286/materiaux-de-l-electrotechnique-te-volume-ii |
| Obiettivi formativi | L’insegnamento concorre a formare lo studente sulla modellistica numerica di materiali per l’ingegneria elettrica. Introduce agli aspetti metodologici, di modellazione, di progettazione e di collegamento fra le varie conoscenze, e affronta le questioni della sostenibilità, affidabilità delle supply-chain e delle implicazioni etiche legate all’utilizzo di certi materiali. L'obiettivo principale dell’insegnamento consiste nel fornire agli studenti le basi per la scelta dei materiali più appropriati, in funzione dell’applicazione. I principali risultati dell’apprendimento saranno: • Comprensione dei principi fisici alla base del funzionamento dei materiali per la mobilità elettrica; • Conoscenza dei diversi tipi di materiali, con i loro limiti ed il loro costo; • Conoscenza delle implicazioni sociali, ecologiche e geopolitiche legate all’estrazione e alla purificazione di alcuni materiali “critici”. |
| Prerequisiti | Al fine di comprendere e saper applicare la maggior parte delle tecniche descritte nell'insegnamento sono necessarie conoscenze preliminari di elettromagnetismo, elettrotecnica, fisica e competenze informatiche e di analisi numerica. |
| Metodi didattici | Il corso è organizzato in: • lezioni frontali in aula durante le quali vengono affrontati gli argomenti trattati nel corso; • esercitazioni consistenti nella realizzazione di elaborati, anche tramite software FEM open source. La totalità del materiale didattico utilizzato durante il corso – e.g. diapositive delle lezioni, esercizi svolti e proposti, tabelle, video ed altri contenuti – sarà disponibile attraverso la piattaforma Unistudium. |
| Altre informazioni | Ulteriori informazioni sono disponibili attraverso la pagina Unistudium dell’insegnamento. Il docente è disponibile per consultazioni al termine di ogni lezione; consultazioni con il docente in persona o attraverso la piattaforma Microsoft Teams possono inoltre essere concordate in altri orari. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame si compone di due parti: • una prova scritta (2h) • una prova orale, unicamente per gli studenti che superino la prova scritta |
| Programma esteso | Introduzione. • Materiali per l’ingegneria elettrica: uno sguardo d'insieme. Richiami di meccanica quantistica • Equazione di Schrödinger, autofunzioni d’onda • Tavola di Mendéléev, orbitali molecolari e tipi di legame chimico • Struttura cristallina e difetti. Materiali conduttori • Modello di Drude (delle palle da biliardo): principio e limiti (dipendenza della conduttività dalla temperatura, effetto termo-ionico, etc.) • Modello di Sommerfeld, conduzione nei metalli • Quale conduttore scegliere in funzione dell’applicazione • Disponibilità e localizzazione dei materiali conduttori nel mondo. Implicazioni etiche, ambientali e geopolitiche. Materiali semi-conduttori • Limiti del modello di Sommerfeld, e perché questo modello spiega la conduzione nei metalli ma non nei semiconduttori • Struttura cristallina e stati di energia. Teorema di Bloch e modello delle bande di energia • Elettroni e lacune. Funzionamento della giunzione PN • Tenuta in temperatura e in tensione dei semiconduttori. Materiali a grande gap. • Disponibilità e localizzazione dei materiali semiconduttori nel mondo. Implicazioni etiche, ambientali e geopolitiche. Materiali isolanti (dielettrici) • Richiami di fisica: polarizzazione alla scala microscopica, campo D • Rigidità dielettrica e meccanismi di claquage • Comportamento dielettrico dei gas, perché e con quali materiali sostituire SF6? • Disponibilità e localizzazione dei materiali dielettrici nel mondo. Implicazioni etiche, ambientali e geopolitiche. Materiali magnetici • Tipi di magnetismo: diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo e ferrimagnetismo. • Perché la meccanica classica non spiega il magnetismo, teorema di Bohr-van Leeuwen. • Materiali magnetici dolci e duri. • Magneti permanenti, perché le terre rare sono importanti? • Isteresi magnetica, cenni di misure magnetiche • Modelli di isteresi statica: Jiles-Atherton, Preisac, Energy-based model • Perdite nei materiali magnetici: formula di Steinmetz, teoria delle separazione delle perdite, perdite anomale e loro origine. • Disponibilità e localizzazione dei materiali magnetici e terre rare nel mondo. Implicazioni etiche, ambientali e geopolitiche. Esercitazione: dimensionamento di un nucleo magnetico |
| Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile | Obiettivo 4: Istruzione di qualità Obiettivo 9: Industria, innovazione e infrastrutture Obiettivo 12: Consumo e produzione responsabili |