1 Sostenibilità energetica e fonti di energia rinnovabili. sviluppo sostenibile, emissioni di CO2 (ciclo del carbonio) e altri gas serra; fonti energetiche rinnovabili (cenni): eolica, idroelettrica, geotermica
2 Chimica nucleare. Difetto di massa, decadimenti radioattivi, cinetica del decadimento, misura della radioattività. Fissione: uranio arricchito, processi di arricchimento. Fusione: confinamento del plasma inerziale e magnetico. Materiali superconduttori.
3 Impiego e tecniche di deposizione di film sottili
4 Richiami su modelli del legame chimico; cenni di teoria dell'orbitale molecolare; HOMO & LUMO; O.M. e teoria delle bande
5 Cenni di chimica organica
6 Solare termico e fotovoltaico: giunzione p-n, celle tradizionali, meccanismo di funzionamento, materiali. Celle organiche: DSSC, small molecule organic solar cell, polymer solar cell. LED, OLED. Tecnologia del Silicio: purificazione e cristallizzazione (processi Siemens e Czochralski); raffinazione a zone
7 Tecniche indagine superficiale: SEM, EDX, AFM, FTIR
8 Richiami di elettrochimica. Cenni di conducibilità elettrica di soluzioni: conduttori elettronici e ionici; cenni di struttura dei solidi (reticolo cristallini, indici di Miller, difetti). Interfase elettrica; conduttanza (Legge di migrazione indipendente degli ioni); elettrodo polarizzabile e non; doppio strato e potenziale elettrodico; Equazione di Nernst. Elettrodi e celle elettrochimiche; cella voltaica, pila di Daniell; cella di elettrolisi; corrosione metallica. Batterie; primarie e secondarie. Celle a combustibile

Appunti delle lezioni
Slide del corso sul sito moodle

Teoria dei circuiti e dei sistemi trifase. Principali proprietà delle reti trifase
Simmetriche, equilibrate e non. Algebra delle sequenze. Teorema di fortesque.
Modello circuitale del trasformatore di potenza, dei ta e dei tv. Principi fisici di
Conversione elettrodinamica dell’energia: campo magnetico rotante. Principi di base
Sul funzionamento delle principali macchine elettriche rotanti.
Descrizione del sistema elettrico di produzione, trasporto e distribuzione dell’energia
Elettrica. Fondamenti di sistemi elettrici di potenza at, mt e di bt. Dalle grandezze di
Campo alle costanti primarie delle linee elettriche. Equazione dei telegrafisti e
Modello di linea trifase attraverso parametri di trasmissione e/o due-porte a t o
Pi-greco in regime sinusoidale simmetrico. Metodi numerici per il calcolo dei flussi di
Potenza. Lo stato del neutro nelle reti trifasi at mt e bt. Analisi dei guasti. Modelli
Circuitali equivalenti per il calcolo delle correnti di cortocircuito in at e bt.
Protezione dalle sovracorrenti e dalle sovratensioni. Principi di funzionamento di
Interruttori e fusibili. Coordinamento delle protezioni.
Rifasamento e filtraggio delle armoniche negli impianti elettrici.
Fondamenti di progettazione degli impianti elettrici di bt.

Dispense del docente e slide delle lezioni
G. Conte, Impianti Elettrici – Ed. Hoepli
F. Iliceto, Impianti Elettrici – Ed. Patron
F.Iliceto, Lezioni di Elettrotecnica, Vol.II “Elementi ed applicazioni delle macchine elettriche – Ed. Patron

Crisi della Fisica classica
- La radiazione da corpo nero
- Formula di Planck
- Effetto fotoelettrico
- Effetto Compton
- Modello atomico di Rutherford
- Teoria quantistica di Bohr
- Onde di de Broglie

Principi base della Meccanica Quantistica
- Richiami di teoria della probabilità
- Equazione di Schroedinger e funzione d'onda
- Funzione d'onda e sua interpretazione probabilistica
- Il problema della misura e collasso della funzione d'onda
- Esperimenti di Stern-Gerlach e di Young
- Grandezze fisiche e operatori
- Autovalori e autofunzioni
- Stati stazionari
- Principio di sovrapposizione
- Principio di indeterminazione

Applicazione a problemi unidimensionali
- Buca di potenziale
- Oscillatore armonico
- Barriera di potenziale ed effetto tunnel

Sistemi a più particelle
- Particelle identiche: statistiche di Fermi-Dirac e di Bose-Einstein
- limite classico e statistica di Maxwell-Boltzmann
- Elettroni in un cristallo: teorema di Bloch
- Entanglement quantistico
- Paradosso EPR e teorema di Bell
- Fondamenti su qubit e computazione quantistica

1) D. J. Griffith, "Introduzione alla meccanica quantistica"

- Preliminari: funzione delta di Dirac, trasformata di Fourier, convoluzione, sistemi lineari, funzioni di Bessel
- Equazione d’onda, onde armoniche, equazione di Helmholtz, onde piane armoniche
- Dall’equazioni di Maxwell alla onde e.m., onde piane e.m., vettore di Poynting, potenza e q. di m. , intensità, polarizzazione
- Propagazione e interferenza di onde piane, sovrapposizione di onde piane
- Diffrazione, sviluppo in onde piane di un campo luminoso
- Fasci a sezione invariante
- Formula di Rayleigh-Sommerfeld, principio di Huygens-Fresnel, integrale di Fresnel, eq. d’onda parassiale
- Approssimazione di campo lontano
- Diffrazione di Fresnel e di Fraunhofer da apertura rettangolare, da foro circolare e da disco opaco
- Effetto di lenti sottili e specchi sferici sulla propagazione di un campo
- Diffrazione da trasparenze periodiche
- Elemento ottici diffrattivi: moltiplicatori di fascio, reticoli di Dammann, reticoli con fase discretizzata, reticoli circolari
- Trattazione e.m. di diffrazione da reticolo
- Fasci gaussiani di ordine zero e ordini superiori
- Focalizzazione, collimazione e espansione di fasci gaussiani
- Principio d’indeterminazione e fattore M2
- Olografia, olografia sintetica
- Elementi di teoria della coerenza, funzione di coerenza e grado di coerenza, teoremi di van Cittert-Zernike e di Kintchine

- P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, “Elementi di Fisica – Elettromagnetismo e Onde”, II edizione, EdiSES (2008)
- F. Gori, Elementi di Ottica, ed. Accademica
- Materiale fornito dal docente

Parte I - Interazione tra campo elettromagnetico e materiali naturali
Fondamenti della teoria dei campi elettromagnetici. Risposta macroscopica dei materiali naturali. Relazioni costitutive e classificazione dei materiali. Linearità. Dispersione. Località. Materiali stazionari ed omogenei. Causalità e relazioni di Kramers-Kronig. Risposta elettrica dei materiali naturali. Polarizzazione elettrica del materiale. Polarizzabilità elettronica, atomica, ionica, di orientamento, di interfaccia. Modello di Lorentz: derivazione e discussione. Modello di Drude: derivazione e discussione. Risposta magnetica dei materiali naturali. Risposta elettrodinamica di una ferrite magnetizzata.

Parte II - Interazione tra campo elettromagnetico e materiali artificiali
Materiali elettromagnetici artificiali. Prospettiva storica. Materiali chirali. Risposta microscopica della materia. Concetto di polarizzabilità. Polarizzabilità elettrica di una sfera dielettrica. Polarizzabilità magnetica di una spira metallica. Polarizzabilità elettrica di una striscia metallica. Polarizzabilità elettrica di una spira metallica. Polarizzabilità della particella metallica a forma di omega. Effetto magneto-elettrico. Campo locale e campo di interazione. Dalla risposta microscopica a quella macroscopica. Tecniche di omogeneizzazione. Formula di Maxwell-Garnett. Formula di Clausius-Mossotti. Formula di Bruggeman. Densità di energia per materiali dispersivi. Causalità e conservazione dell’energia: comportamento in frequenza dei parametri costitutivi. Dispersione anomala. Introduzione ai metamateriali. Panoramica storica. Metamateriali e loro definizioni. Studi di Victor Veselago. Indice di rifrazione negativo. Materiali con indice di rifrazione negativo e loro prima implementazione. Terminologia dei metamateriale. Materiali elettrici artificiali con permittività negativa. Il mezzo a fili. Il mezzo a piatti metallici piani e paralleli. Metalli nobili alle frequenze ottiche. Materiali elettrici artificiali nel visibile. Metamateriali ENZ. Magnetismo naturale e artificiale. Lo Split-Ring Resonator: concetto, analisi e progettazione. Miniaturizzazione di inclusioni magnetiche. Il Multiple Split-Ring Resonator: concetto, analisi e progettazione. Lo Spiral Resonator: concetto, analisi e progettazione. Il Labyrinth Resonator: concetto, analisi e progettazione. Modellazione di inclusioni metalliche nel visibile. L'induttanza cinetica degli elettroni. La struttura Fishnet. Materiali ad indice di rifrazione negativo nel visibile. Magnetismo alle frequenze ottiche.


Parte III - Interazione tra campo elettromagnetico e la materia vivente
Introduzione al bioelettromagnetismo. Panoramica storica ed impatto. Modellistica elettrica dei tessuti viventi. Meccanismo di interazione, effetti biologici e sulla salute. Quantità fisiche per determinare il rischio. Dosimetria e limiti di esposizione. Regolamentazione europea e nazionale.

Parte IV - Imaging elettromagnetico, sensoristica elettromagnetica ed invisibilità elettromagnetica
Imaging, sensoristica ed invisibilità: definizioni e principi di base. Microscopia: definizione e classificazione. Nozioni di base e principi di microscopia ottica. Tecniche di bright field, dark field, contrasto di fase, fluorescenza. Microscopia a raggi X e microscopia elettronica. TEM e SEM. Limite della diffrazione nelle lenti ottiche. La lente perfetta: aspetti fisici, progettazione, implementazione e funzionamento. Esempi di superlenti che lavorano a diverse frequenze. Metamateriali iperbolici: definizione e proprietà. Le iperlenti: aspetti fisici, progettazione, implementazione e funzionamento. Super e iper-lenti ibride. Microscopia in campo vicino. NSOM: fondamenti e principi. Modalità operative dell’NSOM: illumination, collection e scattering mode. Scattering e assorbimento di onde elettromagnetiche. Sezioni di scattering, assorbimento ed estinzione. Principi di spettroscopia. Scattering di Rayleigh (risposta elastica). Scattering Raman (risposta anelastica; scattering Stokes e anti-Stokes). Spettroscopia IR. Polaritone plasmone di superficie (SPP): definizione ed eccitazione. Sensori elettromagnetici basati sulla risonanza plasmonica di superficie (SPR): definizione, aspetti fisici, implementazione, funzionamento. Modulazione angolare, di lunghezza d'onda, intensità, fase, polarizzazione di sensori basati su SPR. Biosensori basati su SPR. Preparazione del campione. Sensogrammi. Sensibilità, FoM, LoD. Localized Surface Plasmon (LSP): definizione ed eccitazione. Sensori elettromagnetici basati sulla risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR): definizione, fisica, implementazione, funzionamento. Principi di spettroscopia SERS. Riduzione dell'osservabilità dell'oggetto. Tecnologie stealth e RAM. Invisibilità elettromagnetica: definizione e figura di merito. L'elettromagnetismo di trasformazione come via per l'invisibilità. Approcci alternativi al cloaking. Principali limitazioni. Cancellazione dello scattering. Mantelli volumetrici per oggetti cilindrici e sferici: analisi e progettazione. Cloaking di oggetti con altre forme. Implementazione di mantelli volumetrici basati sulla cancellazione dello scattering a microonde e a frequenze ottiche. Mantle cloaking: concetto, modellistica, progettazione e realizzazione. Applicazioni del cloaking alle frequenze ottiche. Riduzione e manipolazione delle forze ottiche. Riduzione dell'effetto Casimir. Sistemi NSOM: principi di funzionamento e applicazioni. Transmission, reception e scattering mode. Punte dell’NSOM parzialmente schermate per immagini ad elevata risoluzione. Applicazioni dell’invisibilità alle antenne. Nascondere oggetti passivi e ostacoli nel campo vicino di un'antenna. Nascondere un'antenna ricevente. Nascondere antenne trasmittenti. Dispositivi di invisibilità non lineari. Metasuperfici riconfigurabili e relative applicazioni nei sistemi 5G+.

Appunti predisposti a cura del docente.

Introduzione
-Classificazione dei dispositivi e sistemi elettronici per applicazioni embedded
-Tecnologie e campi di applicazione

Richiami sui sistemi di numerazione e tipi di dati
-Numeri binari ed esadecimali
-Conversioni e operazioni tra numeri binari ed esadecimali
-Rappresentazione binaria di numeri interi
-Rappresentazione binaria di numeri reali

Programmazione embedded in linguaggio C
-Programmazione ad alto livello
-Compilatori
-Struttura di programmi C
-Esempi

Introduzione all’architettura ARM e alla famiglia di microcontrollori STM32
-Introduzione ai processori Cortex e Cortex-M
-Introduzione ai microcontrollori STM32
-Scheda di sviluppo Nucleo

Toolchain
-Ambiente di sviluppo STM32CubeIDE
-Tool di configurazione STM32CubeMX
-Debugging

Hardware Abstraction Layer
-Interfacciamento digitale (GPIO)
-Gestione degli Interrupt
-Clock System
-Accesso diretto alla memoria (DMA)
-Timer e Real-Time Clock
Interfacce seriali (USART)
-Analog-To-Digital Conversion
-Digital-To-Analog Conversion
-I2C
-SPI
-CAN-bus

Progettazione di sistemi embedded
-Esercitazioni
-Sviluppo di progetti

Libro di testo consigliati:

Appunti a cura del docente

Joseph You, “The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors,” Third Edition 2014, Elsevier, 2014, ISBN 978-0-12-408082-9, https://doi.org/10.1016/C2012-0-01372-5

Carmine Noviello, “Mastering STM32 - Second Edition, A step-by-step guide to the most complete ARM Cortex-M platform, using the official STM32Cube development environment,” Leanpub, 2022, http://leanpub.com/mastering-stm32-2nd

Introduzione ai sistemi programmabili:
Classificazione dei sistemi programmabili
Campi di applicazione

Richiami di elettronica digitale:
Reti logiche
Circuiti combinatori
Circuiti sequenziali
Logiche programmabili

Sistemi di numerazione e tipi di dati:
Numeri binari ed esadecimali
Conversioni e operazioni tra numeri binari ed esadecimali
Rappresentazione binaria di numeri interi
Rappresentazione binaria di numeri reali

Organizzazione di un microcomputer:
Struttura di base
Microcontrollori vs. microprocessori
CPU
Bus
Organizzazione della memoria
Organizzazione dell’I/O
Instruction set
Introduzione agli interrupt

Programmazione embedded in linguaggio assembly:
Programmazione a basso livello
Assembler
Caratteristiche delle istruzioni assembly
Operazioni di moltiplicazione e divisione
Allocazione dati e variabili
Subroutines e Interrupt Service Routines

Programmazione embedded in linguaggio C:
Programmazione ad alto livello
Compilatori
Struttura di programmi C
Esempi
Integrazione di codice C e assembly

Principi base di interfacciamento:
Alimentazione
Clock
Power-on reset
Bootstrap

Periferiche embedded:
Tipologie di interrupt
Gestione degli interrupt
Timer e contatori
Memorie embedded
Arbitraggio del bus
Accesso diretto alla memoria (DMA)

Interfacciamento con il mondo esterno:
Porte di ingresso-uscita general purpose (GPIO)
Interfacciamento di dispositivi tramite GPIO
Interfacciamento di interruttori e pulsanti
Interfacciamento di LED
Interfacciamento di display
Interfacciamento di carichi in corrente continua
Interfacciamento di carichi in corrente alternata
Interfacciamento di motori

Comunicazione seriale:
Comunicazione di dati
Tipologie di canali seriali
UART
USB
SPI
I2C
1-Wire

Elaborazione di segnali analogici:
Sensori, Interfacciamento e condizionamento dei segnali
Amplificatori Operazionali
Comparatori
Campionamento
Convertitori ADC e DAC

Libro di testo consigliati:

Manuel Jiménez, Rogelio Palomera, Isidoro Couvertier, “Introduction to Embedded Systems: Using Microcontrollers and the MSP430“, Springer Science & Business Media, 11 set 2013.

Paolo Spirito, “Elettronica digitale”, McGraw-Hill Companies, 2002.


Materiale per le esercitazioni:

PAGINA WEB SCHEDA DI SVILUPPO - Texas Instruments MSP-EXP430FR5739
http://www.ti.com/tool/msp-exp430fr5739

GUIDA SCHEDA DI SVILUPPO - MSP-EXP430FR5739 Experimenter Board User's Guide (Rev. B)
http://www.ti.com/lit/ug/slau343b/slau343b.pdf

GUIDA MICROCONTROLLORE- MSP430FR57xx Family User's Guide (Rev. C)
http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau272c/slau272c.pdf

DATASHEET MICROCONTROLLORE - MSP430FR573x Mixed-Signal Microcontrollers (Rev. J)
http://www.ti.com/lit/ds/slas639j/slas639j.pdf

AMBIENTE DI SVILUPPO -Texas Instruments Code Composer Studio (IDE) v5 Windows/Linux
http://www.ti.com/tool/ccstudio

Caratteristiche costruttive e di funzionamento dei componenti a semiconduttore (diodi di potenza, thyristor, MOSFET di potenza, GTO, IGBT) e dei componenti passivi (induttori e condensatori) utilizzati nei convertitori statici di potenza; perdite di conduzione e perdite di commutazione nei componenti, sistemi di raffreddamento dei convertitori.
Convertitori a commutazione naturale: struttura e caratteristiche di funzionamento dei raddrizzatori a diodi e dei convertitori a thyristor con alimentazione monofase o trifase nel funzionamento da raddrizzatore o da inverter. Convertitori a commutazione forzata: struttura e caratteristiche di funzionamento dei convertitori DC/DC di tipo Buck, Boost e Full-bridge con modulazione PWM bipolare e unipolare; convertitori DC/AC a tensione impressa: struttura e caratteristiche di funzionamento degli inverter e dei raddrizzatori switching monofase e trifase; tecniche di modulazione PWM sinusoidale ed SVM e loro applicazione nella regolazione dei convertitori DC/AC; tecniche di modulazione con controllo della corrente di uscita a banda di isteresi o con tempo di commutazione prefissato. Alimentatori switching: struttura e caratteristiche di funzionamento dei convertitori Flyback, Forward, Push-Pull e Full-Bridge. Convertitori risonanti: convertitori con carico risonante; convertitori ZVS e ZCS; convertitori con DC link risonante.
Impiego dei convertitori statici di potenza in alcuni dei principali campi applicativi quali: gli azionamenti elettrici utilizzati in ambito industriale o nei settori delle apparecchiature biomediche, delle tecnologie assistive e della riabilitazione; i sistemi di continuità assoluta o di emergenza per l’alimentazione elettrica di sistemi ICT o di apparecchiature elettromedicali finalizzate all’implementazione di protocolli di diagnosi e/o di cura; la generazione distribuita di potenza elettrica da fonti rinnovabili e la gestione ottimizzata dei sistemi di accumulo dell’energia.

Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd Edition
Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins
ISBN: 978-0-471-22693-2

Materiale didattico aggiuntivo utilizzato dal docente nel corso delle lezioni e delle esercitazioni, il quale è reso disponibile agli studenti iscritti al corso sul portale Moodle del Dipartimento di Ingegneria.

Richiami di Meccanica Quantistica e Fisica Statistica.
Solidi: proprietà di strutture periodiche.
Elettroni nei solidi. Bande.
Semiconduttori.
Proprietà di trasporto, equazione di Boltzmann.
Conducibilità dc, ac, effetti termoelettrici.
Elementi di magnetismo.
Elementi di Superconduttività.
Sensori e dispositivi. Sensori di temperatura, campo magnetico, potenza rf.
Dispositivi a effetto termoelettrico: celle Peltier, generatori termoelettrici.
Sensori e sistemi superconduttivi: standard del volt, SQUID
Effetto Hall quantistico in metrologia

Sono elencati i testi da cui sono tratti gli argomenti. Sul sito sono indicati i capitoli rilevanti e le eventuali integrazioni. Lucidi e dispense vengono distribuiti durante il corso attraverso la piattaforma Moodle.
M. Razeghi, "Fundamentals of solid state engineering", Kluwer Academic Publishers, 2002.

G. Grosso, G. Pastori Parravicini, "Solid State Physics", Elsevier, 2000.

H. Ibach, H. Lüth, "Solid State Physics", 4th edition, Springer.

R. Marcon, "Proprietà Elettromagnetiche della Materia - Guida alle Lezioni", Casa Editrice CISU.

K. Fossheim, A. Sudbø, "Superconductivity - Physics and applications", John Wiley and Sons, Ltd.