Was ist elektromagnetische Simulation?
Elektromagnetische Simulationen verwenden ungefähre Berechnungen zu Maxwells Gleichungen und zum Faradayschen Gesetz und sind Modelle der Elektromagnetik und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt und die physikalischen Strukturen. Eine elektromagnetische Simulation kann verwendet werden, um eine Satellitenantenne für maximale Kanäle und Klarheit in die richtige Richtung zu richten und ihre Leistung zu beurteilen oder die Wellenausbreitung zu bestimmen, wenn sie sich nicht im freien Raum befindet. Diese Simulationen können das effiziente Design von Computerchips unterstützen und zeigen, wie die Leistung in wichtigen Elektronikkomponenten verbessert werden kann, indem die Inkompatibilitäten der darin enthaltenen Komponenten lokalisiert werden. Elektromagnetische Strahlung, die von kleinen Partikeln aufgenommen und gestreut und dann absorbiert wird, wird in Simulationen für wissenschaftliche Projekte der Laboratorien der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) für ihre Partikelbeschleunigerprojekte verwendet. Elektromagnetische Simulationsprogramme werden auch als Hilfsmittel in Laboratorien eingesetzt, um effektiver zu unterrichten, da die Schüler praktische Erfahrungen mit der Lösung von Problemen sammeln.
Das Lösen von Maxwells Gleichungen an jedem Punkt in einem orthogonalen oder nicht orthogonalen Gitter ist eine der Möglichkeiten, Gitter zur Diskretisierung des Raums zu verwenden, indem eine topologische Übersicht über den Raum erstellt wird. Das Lösen dieser Gleichungen in einer elektromagnetischen Simulation zeigt häufig Probleme im Arbeitsspeicher und in der Leistung des Computers auf, da diese normalerweise nur auf Supercomputern durch zeitliches Abstufen für jeden Zeitpunkt in einer gesamten Domäne und durch Lösen der Maxwell-Gleichungen während des Durchlaufs oder durch schrittweises Aufteilen mit ausgeführt werden können Zeititerationen und schnelle Fourier-Transformationen. In der Strömungsmechanik kann die Grenzmethode oder "Methode der Momente" (MoM) angewendet werden, um technische Probleme, Akustik und Elektromagnetik zu lösen. Dies fokussiert die Berechnungen nur auf die Randbereiche eines Raums und nicht auf die Volumenwerte in jedem Zeitschritt des gesamten Raums.
Eine Küchenmikrowelle entspricht einem sogenannten Faradayschen Käfig, der zeigt, wie ein elektromagnetisches Simulationsmodell für den elektromagnetischen Schutz nützlich sein kann. Elektrische Ströme können durch Metallwände oder andere derartige Abschirmvorrichtungen blockiert werden, während magnetische Ströme lediglich um das Hindernis herum bewegt werden können. Wenn in Faradays Käfig die Wände des Käfigs geerdet sind, wird der Weg des elektrischen Stroms durch Elektronen gestört, die als elektrische Ladungsträger in einem Gittermuster wirken und das Feld kompensieren. Dadurch wird der elektrische Strom abgebaut. So wie das Gittergitter auf der Vorderseite einer Mikrowellentür verhindert, dass Mikrowellen aus dem Gerät austreten, weil die Mikrowellen größer sind als die winzigen Löcher im Gitter, kann eine elektromagnetische Gittersimulation eine gute Schutzabschirmung gegen elektrische Ströme bieten.
Eine elektromagnetische Simulationsmethode, die Maxwell-Gleichungen löst, indem sie für einen Moment durch ein elektrisches Feld und dann für den nächsten Moment durch ein magnetisches Feld läuft und sich wiederholt immer wieder abwechselt, ist als FDTD-Methode (Finite-Difference-Time-Domain) für bekannt Simulationen erstellen. Die Wechselwirkung von EM-Wellen mit Konstruktionsproblemen bei Materialstrukturen wurde in den USA seit etwa 1990 mit dieser Methode wie kaum einer anderen gelöst. Sie wird für Radarsignaturtechnologien, drahtlose Technologien und biomedizinische Bildgebung verwendet, um nur einige ihrer anwendbaren Anwendungen zu nennen .
Die Wellenmodellierung für die elektromagnetische Simulation und Analyse von Schaltkreisen kann unter Verwendung des dreidimensionalen (3-D) Vollwellenmodellierungsverfahrens mit Teilelementäquivalentschaltung (PEEC) durchgeführt werden. Integralgleichungen werden als Kirchhoff-Spannungsgesetz interpretiert und unter Verwendung von PEEC auf eine PEEC-Zelle angewendet, die die 3D-Geometrielösung eines vollständigen Schaltkreises ergibt, wodurch zusätzliche Schaltkreise auf das Gleichstromdesign gepackt werden können. Der Einsatz solcher Modelle in der elektromagnetischen Simulation spart Zeit und Geld bei der Herstellung integrierter Schaltkreise.
Die Fakultäten der Fachhochschule beginnen, Videospiele zu verwenden, die den Schülern mittels elektromagnetischer Simulation den Unterricht ermöglichen sollen, um den Schülern die Phänomene physikalischer Darstellungen visuell darzustellen. Dies kann den Schülern helfen, Konzepte besser zu verstehen und Erfahrungen im Gehirn zu sammeln, die ihnen Schwächen in ihrem eigenen Verständnis und die Schritte zu ihrer Stärkung aufzeigen. Sowohl Studenten als auch Dozenten haben festgestellt, dass mit Hilfe von Software für elektromagnetische Simulationen anhand realer Beispiele für das Lösen von Physikkonzepten schnelleres und gründlicheres Lernen ermöglicht werden kann.