O que é simulação eletromagnética?

Usando cálculos aproximados às equações de Maxwell e à lei de Faraday, as simulações eletromagnéticas são modelos de eletromagnetismo e seus efeitos no ambiente e nas estruturas físicas sobre eles. Uma simulação eletromagnética pode ser usada para direcionar uma antena de satélite na direção correta para obter o máximo de canais e clareza e julgar seu desempenho ou determinar a propagação de ondas quando não estiver no espaço livre. Essas simulações podem ajudar no design eficiente de chips de computador e apontar como melhorar o desempenho nos principais eletrônicos, localizando as incompatibilidades dos componentes dentro deles. A radiação eletromagnética captada, dispersa e depois absorvida por pequenas partículas é usada em simulações para projetos científicos nos laboratórios da Organização Europeia de Pesquisa Nuclear (CERN) para seus projetos de aceleradores de partículas. Os programas de simulação eletromagnética também estão sendo usados ​​como ferramentas nos laboratórios de física da faculdade para ensinar de maneira mais eficaz à medida que os alunos recebem experiência prática na solução de problemas usando-os.

Resolver as equações de Maxwell em cada ponto de uma grade ortogonal ou não-ortogonal é uma das vias para usar grades para discretizar o espaço, criando um levantamento topológico do espaço. A resolução dessas equações em uma simulação eletromagnética geralmente revela problemas na memória e na potência do computador, pois geralmente só podem ser feitos em supercomputadores ao avançar o tempo para cada instante de tempo em todo um domínio, resolvendo as equações de Maxwell à medida que avançam ou dividindo o passo usando iterações de tempo e rápidas transformações de Fourier. Na mecânica dos fluidos, o método de contorno ou "método dos momentos" (MoM) pode ser aplicado para resolver problemas de engenharia, acústica e eletromagnética. Isso concentra os cálculos apenas nas áreas de borda de um espaço, e não nos valores de volume a cada etapa do espaço inteiro.

Um microondas de cozinha é análogo ao que é conhecido como gaiola de Faraday, que ilustra como um modelo de simulação eletromagnética pode ser útil na proteção eletromagnética. As correntes elétricas podem ser bloqueadas por paredes metálicas ou outros dispositivos de proteção, enquanto as correntes magnéticas apenas podem ser movidas ao redor da obstrução. Na gaiola de Faraday, quando as paredes da gaiola são aterradas, o caminho de uma corrente elétrica é perturbado por elétrons que atuam como portadores de carga elétrica em um padrão de malha e compensam o campo; isso faz com que a corrente elétrica se dissipe. Assim como a tela de malha na frente de uma porta de microondas impede que as microondas escapem do dispositivo, porque as microondas são maiores que os pequenos orifícios na malha, uma simulação de malha eletromagnética pode projetar uma boa proteção contra correntes elétricas.

Um método de simulação eletromagnética que resolve as equações de Maxwell percorrendo um campo elétrico por um instante e, em seguida, percorrendo um campo magnético pelo próximo instante e alternando repetidamente uma e outra vez é conhecido como método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD) para produzindo simulações. A interação da onda EM com os problemas de engenharia de estruturas de materiais foi resolvida por esse método mais do que qualquer outro nos EUA desde 1990. É usada para resolver tecnologias de assinatura de radar, tecnologias sem fio e imagens biomédicas, apenas para citar alguns de seus usos aplicáveis. .

A modelagem de ondas para simulação eletromagnética e análise de circuitos pode ser realizada usando o método de modelagem tridimensional (3-D) tridimensional (3D) do circuito equivalente a elementos parciais (PEEC). As equações integrais são interpretadas como a lei de tensão de Kirchhoff e, usando PEEC, são aplicadas a uma célula PEEC que fornece às geometrias 3-D a solução de um circuito completo, permitindo que circuitos adicionais sejam suportados por piggy no projeto de corrente direta. O uso de modelos como este na simulação eletromagnética economiza tempo e dinheiro na fabricação de circuitos integrados.

Os departamentos de física da faculdade estão começando a usar videogames projetados para dar aos alunos lições por simulação eletromagnética para retratar visualmente aos alunos os fenômenos das representações da física. Isso pode ajudar os alunos a entender melhor os conceitos e proporcionar experiências ao cérebro que lhes revelam pontos fracos em seu próprio entendimento e as etapas a serem tomadas para fortalecê-los. Tanto estudantes quanto instrutores descobriram que o aprendizado mais rápido e aprofundado pode ser facilitado usando exemplos do mundo real de resolução de conceitos de física por meio de software de simulação eletromagnética.