电磁场可视化实验平台的构建.doc

电磁场可视化实验平台的构建

摘要本设计是利用功能强大的工程计算及数值分析包MATLAB软件构建了电磁场可视化实验平台，利用MATLAB7.0为Windows提供的可视化特性，首先完成了可视化平台的硬件配置；其次在MATLAB的交互式工作环境中，基于电磁场理论，实现了电磁场的数值计算和图形可视化。从结果来看，该平台具有广泛的适用性。

关键词电磁场，可视化，实验平台，构建

1绪论

科学计算可视化是将隐藏在大量数据集中的物理信息转换为有组织结构的空间几何形状、颜色、亮度等视觉信号的集合。电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科，电磁学不仅是经典物理的基本组成部分之一，具有重要的历史地位与现实意义；而且与近代自然科学、技术科学的许多领域都有着密切的联系，广泛用于电力工程、电子工程、通信工程、计算机技术、医疗卫生、地质探测等多学科领域[7]。

本课题设计方案：基于电磁学理论、数学物理方程与特殊函数、大学物理等知识，通过MATLAB软件实现电磁场可视化实验平台的构建，进行电磁场可视化的系统配置，电磁场问题的数学建模、编程，实现了电磁场与电磁波的可视化。

图2.1设计方案

2系统配置与电磁场可视化的实现

2.1可视化系统配置框图

图2.2系统配置

①MATLAB作为Windows下的—个应用程序，其配置要求为：

1）硬件环境:一般要求486以上的处理器、16MB以上内存、足够的硬盘可用空间(随安装MATLAB组件的多少而定)、CD—ROM驱动器、鼠标等。

2）软件环境:Windows95／98或以上版本的操作系统。

②单就MATLAB而言，其系统构成包括MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统(GUI)和MATLAB应用程序接口(API)[8]。

2.2电磁场与电磁场波图形可视化的实现

图2.3电磁场可视化实现的框图

2.2.1静电场的可视化

静态场的基本问题是静电场和静磁场问题。相对于观测者保持静止且量值不随时间变化的电荷称为静电荷，静电荷激发的电场称为静电场。因为电荷是静止的，所以不存在电流，因而也不存在磁场[4]。

电位和电场是电磁场与电磁波当中两个最基本的概念，通过可视化可以直观的反映出这两个概念在空间当中的分布形式以及相互之间的关系。

首先，建立电位的数学模型：已知空间的电位分布：，则空间的电场等于电位场的负梯度：QUOTEE=-grad(v)dvdxi+dvdyj+dvdzk，其中，、、为QUOTEx,y,z等3个方向的单位向量。

在MATLAB中进行程序设计和仿真，运行结果如图2.4：

图2.4电位和电场分布曲线

2.2.2

由恒定电流或永久磁体产生的磁场不随时间变化，称为恒定磁场，也称为静磁场[4]。如圆线圈的半径为，通有电流，求空间任意一点的磁感应强度。

用连带勒让德函数表示的磁感应强度的解析解。首先，先解矢势的方程，再求磁感应强度，得到题的解是：

（2.1）

在MATLAB中进行程序设计和仿真，运行结果如图2.5和2.6：

图2.5用勒让德函数表示的解析解的图形

图2.6用勒让德函数表示的解析解的图形

2.2.3电磁波的

时变电磁场的能量可以脱离场源，以电磁波的形式在空间向远处传播而不再返回场源，这种现象称为电磁波的辐射。电子系统中辐射或接收电磁波的装置称为天线，它是无线电通信、导航、雷达、测控、遥感、射电天文、电子对抗及信息战等各种民用和国防系统必不可少的组成部分之一[3][4]。

任何实际天线的辐射都具有方向性。离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布情况的数学表示式，称为天线的方向性函数；把方向性函数用图形表示出来，就是方向图[3][4]。

下面分析天线阵方向图的三维图形

在MATLAB中进行程序设计和仿真，运行结果如图2.7：

9端射阵的三维方向图

9端射阵的三维方向图(滞后时)

14元端射阵的三维方向图(滞后时)

6射阵的三维方向图

6射阵的三维方向图

4端射阵的三维方向图

图2

图2.7天线阵方向图表示的解析解的图形

2.2.4偏微分方程的图形用户界面

①边长为的正六边形二维场域内无电荷分布，但六条边上的电位依次为，，，，，，求场域内的电位分布。

1V

1V

-1V

-1V

1V

1V

-1V

图

图2.8正六边形场域的边值问题

1）问题分析

同轴矩形金属槽中的电位函数满足拉普拉斯方程：其边界条件满足第一类边界条件：，，。

2）利用PDEGUI解答，运行结果如图2.9：

图2.9正六边形场域内的等位线和电场线分布图

②四个电极围成一个不规则的槽，各电极的电位如图：求槽内的电位分布。

图2.10