Qu'est-ce que la simulation électromagnétique?
À l'aide de calculs approximatifs des équations de Maxwell et de la loi de Faraday, les simulations électromagnétiques sont des modèles d'électromagnétisme et de leurs effets sur l'environnement et les structures physiques qui les entourent. Une simulation électromagnétique peut être utilisée pour orienter une antenne de satellite dans la bonne direction pour obtenir un maximum de canaux et une clarté optimale, ainsi que pour juger de ses performances ou pour déterminer la propagation des ondes en dehors des espaces libres. Ces simulations peuvent aider à la conception efficace de puces informatiques et indiquer comment améliorer les performances des principaux composants électroniques en localisant les incompatibilités des composants qui les composent. Le rayonnement électromagnétique capté et diffusé puis absorbé par de petites particules est utilisé dans des simulations de projets scientifiques dans les laboratoires de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) pour leurs projets d'accélérateurs de particules. Les programmes de simulation électromagnétique sont également utilisés comme outils dans les laboratoires de physique des collèges pour enseigner plus efficacement, à mesure que les étudiants acquièrent une expérience pratique de la résolution de problèmes qui les utilisent.
La résolution des équations de Maxwell en chaque point d'une grille orthogonale ou non orthogonale est l'une des voies permettant d'utiliser des grilles pour discrétiser l'espace en créant une étude topologique de l'espace. La résolution de ces équations dans une simulation électromagnétique révèle souvent des problèmes de mémoire et de puissance d'ordinateur, car ils ne peuvent généralement être résolus que sur des supercalculateurs en calculant le pas de temps dans chaque domaine, en résolvant les équations de Maxwell au fur et à mesure ou en fractionnant itérations temporelles et transformations rapides de Fourier. En mécanique des fluides, la méthode des limites ou «méthode des moments» (MoM) peut être appliquée pour résoudre des problèmes d'ingénierie, de l'acoustique et de l'électromagnétique. Ceci concentre les calculs uniquement sur les zones de bordure d'un espace plutôt que sur les valeurs de volume à chaque pas de temps de tout l'espace.
Un four à micro-ondes de cuisine est analogue à ce que l'on appelle une cage de Faraday, ce qui illustre l'utilité d'un modèle de simulation électromagnétique pour la protection électromagnétique. Les courants électriques peuvent être bloqués par des parois métalliques ou d'autres dispositifs de protection, alors que les courants magnétiques peuvent simplement être déplacés autour de l'obstruction. Dans la cage de Faraday, lorsque les parois de la cage sont mises à la terre, le trajet d'un courant électrique est perturbé par des électrons jouant le rôle de porteurs de charge électrique dans un motif maillé et compensant le champ; cela provoque la dissipation du courant électrique. Tout comme le tamis à l'avant d'une porte de micro-ondes empêche les micro-ondes de s'échapper de l'appareil, car les micro-ondes sont plus grandes que les minuscules trous du maillage, une simulation de maillage électromagnétique permet de concevoir un bon blindage de protection contre les courants électriques.
Une méthode de simulation électromagnétique qui résout les équations de Maxwell en passant d’un champ à l’autre par un champ électrique, puis en passant d’un champ magnétique à l’autre, puis en alternant de manière répétée est connue sous le nom de méthode FDTD (différence finie dans le domaine temporel). produire des simulations. L’interaction des ondes électromagnétiques avec les structures matérielles a été résolue par cette méthode plus que toute autre aux États-Unis depuis environ 1990. Elle est utilisée pour résoudre les technologies de signature radar, les technologies sans fil et l’imagerie biomédicale, pour ne citer que quelques-unes de ses utilisations applicables. .
La modélisation des ondes pour la simulation électromagnétique et l'analyse des circuits peut être réalisée à l'aide de la méthode de modélisation tridimensionnelle (3-D) à circuit équivalent d'éléments partiels (PEEC). Les équations intégrales sont interprétées comme la loi de tension de Kirchhoff et, à l'aide de la méthode PEEC, sont appliquées à une cellule PEEC, ce qui donne à la solution géométrique 3D un circuit complet, ce qui permet de superposer des circuits supplémentaires à la conception à courant continu. L'utilisation de tels modèles dans la simulation électromagnétique permet de réaliser des économies de temps et d'argent dans la fabrication de circuits intégrés.
Les départements de physique des collèges commencent à utiliser des jeux vidéo conçus pour donner aux étudiants des leçons via une simulation électromagnétique afin de décrire visuellement aux étudiants le phénomène des représentations de la physique. Cela peut aider les élèves à mieux comprendre les concepts et à faire vivre à leur cerveau des expériences qui leur révèlent des faiblesses dans leur propre compréhension et les mesures à prendre pour les renforcer. Les étudiants et les enseignants ont tous deux constaté qu'un apprentissage plus rapide et plus approfondi pouvait être facilité à l'aide d'exemples concrets de résolution de concepts de physique au moyen d'un logiciel de simulation électromagnétique.