Co to jest symulacja elektromagnetyczna?

Wykorzystując przybliżone obliczenia do równań Maxwella i prawa Faradaya, symulacje elektromagnetyczne są modelami elektromagnetycznymi i ich wpływem na środowisko oraz otaczające je struktury fizyczne. Symulacji elektromagnetycznej można użyć, aby skierować antenę satelitarną we właściwym kierunku, aby uzyskać maksymalne kanały i czystość oraz ocenić jej działanie lub określić propagację fali, gdy nie jest ona w wolnej przestrzeni. Symulacje te mogą pomóc w wydajnym projektowaniu układów komputerowych i wskazać, jak poprawić wydajność głównych układów elektronicznych poprzez zlokalizowanie niekompatybilności zawartych w nich komponentów. Promieniowanie elektromagnetyczne wychwytywane i rozpraszane, a następnie absorbowane przez małe cząsteczki, jest wykorzystywane w symulacjach projektów naukowych w laboratoriach Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) w projektach akceleratorów cząstek. Programy symulacji elektromagnetycznej są również wykorzystywane jako narzędzia w laboratoriach fizyki akademickiej do nauczania bardziej efektywnie, ponieważ studenci otrzymują praktyczne doświadczenie w rozwiązywaniu problemów z nimi związanych.

Rozwiązywanie równań Maxwella w każdym punkcie w ortogonalnej lub nieortogonalnej siatce jest jedną z możliwości wykorzystania siatek do dyskretyzacji przestrzeni poprzez stworzenie topologicznego przeglądu przestrzeni. Rozwiązywanie tych równań w symulacji elektromagnetycznej często ujawnia problemy z pamięcią i mocą komputera, ponieważ zwykle można je wykonać tylko na superkomputerach, krokowo dla każdej chwili czasu w całej domenie, rozwiązując równania Maxwella podczas ich przejścia lub dzieląc krok za pomocą iteracje czasu i szybkie transformacje Fouriera. W mechanice płynów można zastosować metodę graniczną lub „metodę momentów” (MoM) w celu rozwiązania problemów inżynieryjnych, akustyki i elektromagnetyczności. To skupia obliczenia tylko na obszarach granicznych przestrzeni, a nie na wartościach objętości na każdym etapie całej przestrzeni.

Kuchenna kuchenka mikrofalowa jest analogiczna do tak zwanej klatki Faradaya, która ilustruje, w jaki sposób model symulacji elektromagnetycznej może być przydatny w ochronie elektromagnetycznej. Prądy elektryczne mogą być blokowane przez metalowe ściany lub inne takie urządzenia ekranujące, podczas gdy prądy magnetyczne można jedynie przemieszczać wokół przeszkody. W klatce Faradaya, gdy ściany klatki są uziemione, ścieżka prądu elektrycznego jest zakłócana przez elektrony działające jako nośniki ładunku elektrycznego w układzie siatki i kompensujące pole; powoduje to rozproszenie prądu elektrycznego. Tak jak ekran siatki z przodu drzwiczek kuchenki mikrofalowej blokuje ucieczkę mikrofal z urządzenia, ponieważ mikrofale są większe niż małe otwory w siatce, symulacja siatki elektromagnetycznej może zapewnić dobrą ochronę przed prądami elektrycznymi.

Metoda symulacji elektromagnetycznej, która rozwiązuje równania Maxwella, cyklicznie przez pole elektryczne przez jedną chwilę, a następnie cyklicznie przez pole magnetyczne przez następną chwilę i wielokrotnie zmieniając się w kółko, jest znana jako metoda w dziedzinie różnic skończonych w czasie (FDTD) dla tworzenie symulacji. Interakcja fal elektromagnetycznych z problemami inżynierii struktur materiałowych została rozwiązana tą metodą bardziej niż jakikolwiek inny w Stanach Zjednoczonych od około 1990 roku. Jest on wykorzystywany do rozwiązywania technologii sygnatur radarowych, technologii bezprzewodowych i obrazowania biomedycznego, aby wymienić tylko kilka jego zastosowań. .

Modelowanie falowe w symulacji elektromagnetycznej i analizie obwodów można przeprowadzić przy użyciu trójwymiarowej (3-D) metody modelowania pełnofalowego z wykorzystaniem elementu ekwipunku częściowego obwodu (PEEC). Równania całkowe są interpretowane jako prawo napięciowe Kirchhoffa i przy użyciu PEEC są stosowane do ogniwa PEEC, które daje trójwymiarowe rozwiązanie pełnego obwodu, pozwalając na dodatkowe obwody na projektowaniu prądu stałego. Zastosowanie takich modeli w symulacji elektromagnetycznej pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze przy produkcji układów scalonych.

Wydziały fizyki w college'u zaczynają korzystać z gier wideo zaprojektowanych w celu zapewnienia studentom lekcji za pomocą symulacji elektromagnetycznej, aby wizualnie przedstawić uczniom zjawiska reprezentacji fizycznych. Może to pomóc uczniom w lepszym zrozumieniu pojęć i udostępnieniu mózgom doświadczeń, które ujawniają im słabości w ich własnym zrozumieniu oraz kroki, które należy podjąć, aby je wzmocnić. Zarówno studenci, jak i instruktorzy odkryli, że zarówno szybsze, jak i bardziej dogłębne uczenie się można ułatwić, korzystając z rzeczywistych przykładów rozwiązywania koncepcji fizyki za pomocą oprogramowania do symulacji elektromagnetycznej.