¿Qué es la simulación electromagnética?
Usando cálculos aproximados a las ecuaciones de Maxwell y la ley de Faraday, las simulaciones electromagnéticas son modelos de electromagnetismo y sus efectos sobre el medio ambiente y las estructuras físicas que las rodean. Se puede utilizar una simulación electromagnética para apuntar una antena de satélite en la dirección correcta para obtener los canales y la claridad máximos y juzgar su rendimiento o determinar la propagación de ondas cuando no se encuentra en el espacio libre. Estas simulaciones pueden ayudar en el diseño eficiente de chips de computadora y señalar cómo mejorar el rendimiento en los principales componentes electrónicos al localizar las incompatibilidades de los componentes dentro de ellos. La radiación electromagnética que se recoge y dispersa y luego es absorbida por partículas pequeñas se utiliza en simulaciones para proyectos científicos en los laboratorios de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) para sus proyectos de aceleradores de partículas. Los programas de simulación electromagnética también se utilizan como herramientas en los laboratorios de física de la universidad para enseñar de manera más efectiva a medida que los estudiantes reciben experiencia práctica para resolver problemas al usarlos.
Resolver las ecuaciones de Maxwell en cada punto de una cuadrícula ortogonal o no ortogonal es una de las vías para usar cuadrículas para discretizar el espacio mediante la creación de un estudio topológico del espacio. Resolver estas ecuaciones en una simulación electromagnética a menudo revela problemas en la memoria y el poder de la computadora, ya que generalmente solo se pueden hacer en supercomputadoras por intervalos de tiempo por cada instante de tiempo en un dominio completo, resolviendo las ecuaciones de Maxwell a medida que avanzan o dividiendo pasos usando iteraciones de tiempo y transformadas rápidas de Fourier. En mecánica de fluidos, el método de límite o "método de momentos" (MoM) se puede aplicar para resolver problemas de ingeniería, acústica y electromagnética. Esto enfoca los cálculos solo en las áreas de borde de un espacio en lugar de los valores de volumen en cada paso de tiempo de todo el espacio.
Un microondas de cocina es análogo a lo que se conoce como una jaula de Faraday, que ilustra cómo un modelo de simulación electromagnética podría ser útil en la protección electromagnética. Las corrientes eléctricas pueden ser bloqueadas por paredes metálicas u otros dispositivos de protección similares, mientras que las corrientes magnéticas simplemente pueden moverse alrededor de la obstrucción. En la jaula de Faraday, cuando las paredes de la jaula están conectadas a tierra, el camino de una corriente eléctrica es perturbado por electrones que actúan como portadores de carga eléctrica en un patrón de malla y compensan el campo; Esto hace que la corriente eléctrica se disipe. Así como la pantalla de malla en el frente de una puerta de microondas impide que las microondas escapen del dispositivo porque las microondas son más grandes que los pequeños orificios en la malla, una simulación de malla electromagnética puede diseñar un buen blindaje protector contra las corrientes eléctricas.
Un método de simulación electromagnética que resuelve las ecuaciones de Maxwell ciclando a través de un campo eléctrico por un instante y luego ciclando a través de un campo magnético por el siguiente instante y alternando repetidamente una y otra vez se conoce como el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) para produciendo simulaciones. Los problemas de ingeniería de la onda EM con estructuras de materiales se han resuelto mediante este método más que ningún otro en los EE. UU. Desde alrededor de 1990. Se utiliza para resolver tecnologías de firma de radar, tecnologías inalámbricas e imágenes biomédicas, solo por nombrar algunos de sus usos aplicables. .
El modelado de ondas para la simulación electromagnética y el análisis de circuitos se puede realizar utilizando el método de modelado de onda completa tridimensional (3-D) del circuito equivalente de elemento parcial (PEEC). Las ecuaciones integrales se interpretan como la ley de voltaje de Kirchhoff y, utilizando PEEC, se aplican a una celda PEEC que proporciona la solución de geometrías tridimensionales de un circuito completo, lo que permite que circuitos adicionales se respalden en el diseño de corriente continua. El uso de modelos como este en la simulación electromagnética ahorra tiempo y dinero en la fabricación de circuitos integrados.
Los departamentos de física de las universidades están comenzando a utilizar videojuegos diseñados para dar lecciones a los estudiantes mediante simulación electromagnética para representar visualmente a los estudiantes los fenómenos de las representaciones físicas. Esto puede ayudar a los estudiantes a obtener una mejor comprensión de los conceptos y permitirse experiencias cerebrales que les revelen debilidades en su propia comprensión y los pasos a seguir para fortalecerlos. Tanto los estudiantes como los instructores han descubierto que se puede facilitar un aprendizaje más rápido y más profundo utilizando ejemplos del mundo real de la resolución de conceptos de física mediante un software de simulación electromagnética.