Che cos'è la simulazione elettromagnetica?

Utilizzando calcoli approssimativi delle equazioni di Maxwell e della legge di Faraday, le simulazioni elettromagnetiche sono modelli di elettromagnetismo e dei loro effetti sull'ambiente e sulle strutture fisiche che li circondano. Una simulazione elettromagnetica può essere utilizzata per puntare un'antenna satellitare nella giusta direzione per ottenere i massimi canali e chiarezza e giudicare le sue prestazioni o per determinare la propagazione delle onde quando non si trova nello spazio libero. Queste simulazioni possono aiutare nella progettazione efficiente di chip di computer e indicare come migliorare le prestazioni dei principali dispositivi elettronici individuando le incompatibilità dei componenti al loro interno. Le radiazioni elettromagnetiche che vengono raccolte e disperse e quindi assorbite da piccole particelle vengono utilizzate nelle simulazioni per progetti scientifici presso i laboratori dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) per i loro progetti di acceleratori di particelle. I programmi di simulazione elettromagnetica vengono anche utilizzati come strumenti nei laboratori di fisica del college per insegnare in modo più efficace man mano che gli studenti ricevono esperienza pratica sulla risoluzione dei problemi che li utilizzano.

Risolvere le equazioni di Maxwell in ogni punto di una griglia ortogonale o non ortogonale è uno dei viali per utilizzare le griglie per discretizzare lo spazio creando un rilievo topologico dello spazio. La risoluzione di queste equazioni in una simulazione elettromagnetica rivela spesso problemi nella memoria e nella potenza del computer poiché di solito possono essere eseguite sui supercomputer facendo un passo nel tempo per ogni istante di tempo in un intero dominio, risolvendo le equazioni di Maxwell mentre procedono o dividendo usando iterazioni temporali e trasformazioni veloci di Fourier. Nella meccanica dei fluidi, il metodo limite o il "metodo dei momenti" (MoM) può essere applicato per risolvere problemi di ingegneria, acustica ed elettromagnetica. Questo concentra i calcoli solo sulle aree di confine di uno spazio piuttosto che sui valori del volume in ogni fase dell'intero spazio.

Un forno a microonde da cucina è analogo a una gabbia di Faraday, che illustra come un modello di simulazione elettromagnetica possa essere utile nella protezione elettromagnetica. Le correnti elettriche possono essere bloccate da pareti metalliche o altri dispositivi di schermatura simili mentre le correnti magnetiche possono semplicemente essere spostate attorno all'ostruzione. Nella gabbia di Faraday, quando le pareti della gabbia sono messe a terra, il percorso di una corrente elettrica è disturbato da elettroni che agiscono come portatori di carica elettrica in un modello a maglie e compensano il campo; ciò causa la dissipazione della corrente elettrica. Proprio come lo schermo a rete sulla parte anteriore di una porta a microonde impedisce alle microonde di sfuggire al dispositivo perché le microonde sono più grandi dei piccoli fori nella rete, una simulazione a rete elettromagnetica può progettare una buona schermatura protettiva dalle correnti elettriche.

Un metodo di simulazione elettromagnetica che risolve le equazioni di Maxwell eseguendo il ciclo attraverso un campo elettrico per un istante e quindi attraversando un campo magnetico per l'istante successivo e alternando ripetutamente più volte è noto come metodo del dominio del tempo a differenza finita (FDTD) per produrre simulazioni. L'interazione delle onde EM con problemi di ingegneria delle strutture materiali è stata risolta con questo metodo più di ogni altra negli Stati Uniti dal 1990 circa. È usata per risolvere tecnologie di firma radar, tecnologie wireless e imaging biomedico, solo per citare alcuni dei suoi usi applicabili .

La modellizzazione dell'onda per la simulazione elettromagnetica e l'analisi dei circuiti può essere eseguita utilizzando il metodo di modellizzazione a onda intera tridimensionale del circuito equivalente a elementi parziali (PEEC). Le equazioni integrali vengono interpretate come la legge di tensione di Kirchhoff e, usando PEEC, vengono applicate a una cella PEEC che fornisce la soluzione di geometrie 3D di un circuito completo, consentendo di aggiungere circuiti aggiuntivi sul progetto di corrente continua. L'uso di modelli come questo nella simulazione elettromagnetica consente di risparmiare tempo e denaro nella produzione di circuiti integrati.

I dipartimenti di fisica del college stanno iniziando a utilizzare i videogiochi progettati per fornire agli studenti lezioni tramite simulazione elettromagnetica per rappresentare visivamente agli studenti i fenomeni delle rappresentazioni della fisica. Questo può aiutare gli studenti ad acquisire una migliore comprensione dei concetti e offrire loro esperienze cerebrali che rivelano loro debolezze nella propria comprensione e i passi da compiere per rafforzarli. Sia gli studenti che gli istruttori hanno scoperto che l'apprendimento più rapido e più approfondito può essere facilitato usando esempi del mondo reale di risoluzione dei concetti di fisica mediante software di simulazione elettromagnetica.

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