电磁场与电磁波 【matlab】实验二 静电场边值问题研究实验
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第39卷 第9期 高 师 理 科 学 刊 Vol. 39 No.9 2019年 9月 Journal of Science of Teachers′College and University Sep. 2019文章编号:1007-9831(2019)09-0052-04应用MATLAB设计电磁场与电磁波模拟仿真实验凌滨,郭也,刘文川(东北林业大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)摘要:由于电磁场与电磁波课程在电磁波传播部分授课中的理论和概念抽象,难以理解.利用MATLAB语言编程技术,针对电磁场和电磁波传播2个方面,设计2个模拟仿真实验:均匀平面波在无界空间中的传播和设定各参数实验数据获得分界面上波形的变化.2个具体仿真实验形象地再现了均匀平面电磁波在自由空间传播状态和在2个媒介边界上的变化特征,通过实验有助于学生对电磁场和电磁波基本规律的掌握.关键词:电磁场与电磁波;MATLAB;仿真实验;均匀平面波中图分类号:O441.4 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1007-9831.2019.09.014Application of MATLAB to design electromagnetic field andelectromagnetic wave simulation experimentLING Bin,GUO Ye,LIU Wen-chuan(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)Abstract:The theoretical and conceptual abstraction of the electromagnetic field and electromagnetic wave course in the teaching of electromagnetic wave propagation is difficult to understand.Using MATLAB language programming technology,two simulation experiments were designed for electromagnetic field and electromagnetic wave propagation,the propagation of uniform plane wave in unbounded space and setting experimental data of each parameter to obtain the waveform change on the interface.Two specific simulation experiments vividly reproduced the variation characteristics of uniform plane electromagnetic waves in free space and the boundary of two media.The experiment helps students master the basic laws of electromagnetic fields and electromagnetic waves.Key words:electromagnetic field and electromagnetic wave;MATLAB;simulation experiment;uniform plane wave电磁场与电磁波作为电子信息和通信工程的专业基础课之一,通过实验课程的环节来加深对电磁场理论知识的理解,并且可以将课堂上所学到的理论知识在实验课中进行验证,加深理解[1-2].由于目前教学过程中受到实验室的硬件环境的限制,在实验教学环节中以仿真验证为主,利用MATLAB软件对所学的理论知识进行实验,通过理论知识来指导实践.将两者相结合,可以达到提高学生发现并分析问题,利用所学知识解决问题能力的目的,进一步将所学的理论知识完善巩固,更加全面地了解电磁场与电磁波的概念[3-5].MATLAB仿真软件的数据分析和数据计算的能力十分强大,将实验数据以图形的形式进行展示,提供了一个数据可视化的平台[6].本文在电磁场与电磁波的实验教学中,利用MATLAB模拟了2种情况下的仿收稿日期:2019-04-10基金项目:东北林业大学教育教学研究课题项目(JG2016008)作者简介:凌滨(1962-),男,黑龙江哈尔滨人,副教授,硕士,从事电磁场与电磁波研究.E-mail:756595015@第9期 凌滨,等:应用MATLAB 设计电磁场与电磁波模拟仿真实验 53真实验,分别是自由空间和媒质空间中均匀平面电磁波传播波形的变化以及2种介质分界面上电磁波波形的变化.1 均匀平面波在真空和媒质中的传播仿真实验由麦克斯韦方程组可知,变化的电场和磁场相互作用下,产生的电磁波以光速在真空中传播;电磁波在理想介质中是横波,电场和磁场的方向与波的传播方向相互垂直,另外,电场方向与磁场方向也相互垂直[7].理想介质中均匀平面电磁波的波动方程可以由麦克斯韦方程组推理得到220022200200E E tH H t e m e m ì¶Ñ-=ïï¶í¶ïÑ-=ï¶îu vu v uu v uu v (1) 若电场为线极化方式,且电磁波沿x 轴方向,可以得到22000022(()E H H Ex t t x x tm m e m ¶¶¶¶¶¶=-=-=¶¶¶¶¶¶ (2) 同理220022H Hx te m ¶¶=¶¶,这2个公式都属于波动方程.电场与磁场的传播速度,也就是电磁波在真空中的传播速度,即81/310m/s c =»´.由此可见,电磁波的传播速度(在真空中)与光速等值,理论数据和实验数据一致,这为光的电磁波理论提供了一个重要的理论依据.由波动方程 220022220022E E x tH H x t e m e m ì¶¶=ïï¶¶í¶¶ï=ï¶¶î (3) 在真空中当平面电磁波的电场强度和磁场强度的频率和相位相同时,2个波动方程的瞬时表达式为m (,)cos()x x E z t e E t z w b =-r r(4)m (,)cos()x y E H z t e t z w b h=-r r (5) 其中:m x E 是电场强度振幅;w 是电磁波的圆频率;b 是相位常数;h 是本征阻抗.设计的仿真均匀平面波形波动见图 1.均匀平面波在导电媒质中具有传播特性:电媒质的典型特征是电导率 0s ¹;电磁波在导电媒质中传播时,由于传导电流J E s =的存在,同时还伴随着电磁能量的损耗;电磁波的传播特性与非导电介质中的传播特性有所不同[8-10].电场E 、磁场H 瞬时值形式m (,)e cos()z x x E z t e E t z a w b -=-v r(6) m (,)e cos()z x y cEH z t e t z a w b j h -=--r r (7)在导电媒质中衰减常数a 、相位常数b 和本征阻抗c h分别为a = (8)b = (9)54 高 师 理 科 学 刊 第39卷1arctg 2e j c c s weh h === (10)通过改变介电参数e 、磁导率m 、电导率s 和波的频率w ,电磁波在传播中是不断变化的,设计的仿真实验波形变化见图2.应用仿真实验可以形象直观地看到均匀平面波的传播特征,并通过改变介质各参数来观察电磁波的波形变化特性.2 均匀平面波的传播、反射及透射的仿真实验电磁波在入射到不同媒质分界面上时,一部分波会在分界面上进行反射,一部分波会透过分界面.入射波(已知)+反射波(未知)= 透射波(未知) (1) 0z <中,导电媒质1的参数为111s e m ,,;(2) 0z >中,导电媒质2的参数为222s e m ,,.沿x 方向极化的均匀平面波从媒质1 垂直入射到与导电媒质2 的分界平面上,电场和磁场的变化见图3. 媒质1中的入射波 1i im ()e zx E z e E g -=r r (11)1im i 1()e z y cEH z e g h -=r r (12)媒质1中的反射波1r rm ()e z x E z e E g -=r r(13) 1rm r 1()e z y cEH z e g h -=r r (14)媒质1中的合成波11im rm 1i r 12()()()e e z z y y c cE E H z H z H z e e g g h h --=+=-r r r r r H (15)111i r im rm ()()+()e e z z x x E z E z E z e E e E g g --==+r r r r r(16)其中传播常数1g 和波阻抗1c h为11211)j j s g we =- (17)11211c j s h we -==- (18) 媒质2中的透射波第9期 凌滨,等:应用MATLAB 设计电磁场与电磁波模拟仿真实验 5522tm t tm t 2()e ,()e zz x y cE E z e E H z e g g h --==r r r r (19)其中:传播常数2g 和波阻抗2c h为12222)j j s g we =- (20)12222c j s h we -=- (21) 改变各参数的数值,介质1,2为不同媒质时,设计的仿真实验波形见图4.改变各参数的数值,介质1为非导电媒质、2为导电媒质时,设计的仿真实验波形见图5.改变各参数的数值,介质1,2为相同电媒质时,设计的仿真实验波形见图6.通过该仿真实验系统操作,设定各参数实验数据,即获得分界面上波形的变化特征.对实验结果进行分析和解释,得到合理有效的结论.3 结束语本文提出了利用MATLAB 来完成电磁场与电磁波的仿真实验,通过仿真实验将理论教学有效地运用到实践教学中,能够使学生更加有效地理解所学的理论知识.电磁场与电磁波的仿真实验练习可以让学生对自己所学的知识有更深地理解,可以用更加灵活的方式掌握专业技能,并对所学专业的应用领域和前景有进一步的了解.在鼓励学生自己利用所学知识解决实际问题的同时,将书本知识与工程实践相结合,将复杂的电磁波问题简化,可以有效地提高授课效果. 参考文献:[1] 谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京:高等教育出版社,2006[2] 刘亮元,贺达江.电磁场与电磁波仿真实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(5):30-32[3] 王明军.MATLAB 在电磁场与电磁波课程教学中的应用[J].咸阳师范学院学报,2009,24(2):89-91 [4] 郭瑜,虞致国.电磁场与电磁波仿真实验教学研究[J].无锡职业技术学院学报,2018,17(2):28-31[5] 杨明珊,谭凤杰,李志中,等.电磁场与电磁波实验仿真系统[J].郑州大学学报:理学版, 2013,45(2):64-67 [6] 乔世坤.Matlab 在通信课程中的仿真应用[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2017 [7] 马冰然.电磁场与微波技术[M].广州:华南理工大学出版社,1999[8] William Hayt,John Buck.Engineering Electromagnetics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2011[9] 万棣,范懿.电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计与开发[J].电气电子教学,2017,39(4):141-144[10]邓红涛,刘巧,田敏.利用仿真软件优化电磁场与电磁波教学[J].电脑知识与技术,2014,10(4):792-794。
电磁场实验仿真指导书1、Matlab 基础2、实验内容2.1 预习点电荷电场分布2.2 实验一电偶极子电场分布仿真2.3 实验二特殊边界条件的电场分布2.4 实验三直导线的磁场分布2.5 实验四磁偶极子的磁场分布1 MATLAB 基础1.1 简介MATLAB是一门计算机程序语言,取名源于Matrix Laboratory,意在以矩阵方式处理数据。
一般认为MATLAB的典型应用包括:数值计算与分析、符号运算、建模与仿真、数据可视化、图形处理及可视化、基于图形用户界面的应用程序开发。
MATLAB7.3.0启动后界面如图1所示。
图1 MATLAB7.3.0启动后界面命令窗口(Command Window):(1) 用于执行MATLAB命令,正常情况下提示符为“>>”,表示MATLAB进入工作状态。
(2) 在提示符后输入运算指令和函数调用等命令(不带“;”),MATLAB将迅速显示出结果并再次进入准备工作状态。
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用MATLAB解决电磁学中的静电场问题
陈宗文;魏秀芳;雒向东
【期刊名称】《无线互联科技》
【年(卷),期】2012(000)011
【摘要】在研究电磁学中的电场问题时,静电场的概念抽象且不易被学生理解,而且在实验室里很难实现它的理想化模型。
本文运用数学软件MATLAB模拟出真空中自由电荷、几种带电导体产生的静电场场强和电势分布图,使其更加形象地、容易地被理解和接受,方便教师教学和学生学习。
【总页数】3页(P156-157,178)
【作者】陈宗文;魏秀芳;雒向东
【作者单位】兰州城市学院培黎工程技术学院,甘肃兰州 730070;兰州城市学院培黎工程技术学院,甘肃兰州 730070;兰州城市学院培黎工程技术学院,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【相关文献】
1.填补法与高斯定理结合解决非对称静电场问题 [J], 魏生贤;陈光学;陶昌
2.静电磁学中的牛顿第三定律和超距作用 [J], 陈国贵;黄亦斌
3.Matlab在处理静电场问题中的应用研究 [J], 刘鑫;赵婷婷
4.应用边界条件解决普通物理中的静电场问题 [J], 黄安甲
5.在解决物理问题过程中培养学生“去理想化”思维习惯——以一个有趣的静电场问题为例 [J], 刘淑琳;邓敏钰;兰小刚
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电磁场与电磁波实验报告实验项目:有限差分法一、实验目的及要求1、学习有限差分法的原理与计算步骤;2、学习用有限差分法解静电场中简单的二维静电场边值问题;3、学习用Matlab语言描述电磁场与电磁波中内容,用matlab求解问题并用图形表示出了,学习matlab语言在电磁波与电磁场中的编程思路。
二、实验内容理论学习:学习静电场中边值问题的数值法中的优先差分法的求解知识;实践学习:学习用matlab语言编写有限差分法计算二维静电场边值问题;三、实验仪器或软件Matlab7.0电脑四、实验原理有限差分法的基本思想将计算场域划分成网格,把求解场域内连续的场分布用求解网格节点上的离散数值解来代替;即用网格节点的差分方程近似代替场域内的偏微分方程来求解。
简单迭代法先对场域内的节点赋予初始值)(0,j i Φ ,这里上标(0)表示第0次近似值,即初始值。
然后再按照: ][41k 1,k ,1k 1,k ,11k ,)()()()()(++--+Φ+Φ+Φ+Φ=Φj i j i j i j i j i进行反复迭代。
若当第N 次迭代结束后,所有内节点相邻两次迭代值之间的绝对误差小于事先给定的精度,则迭代停止。
W MAX N ji N j i 〈Φ-Φ-)()(1,, 注意:初始值的赋予是任意的;赋予初始值后,请按“从左到右、从下到上”的固定顺序依次计算各节点值; 当所有节点都算完一遍后,再用它们的新值代替旧值,即完成一次迭代。
五、实验步骤复习理论知识;编写matlab 程序;六、结果分析与问题讨论1、程序:clearX=[0,0,0,0,0;0,25,25,25,0;0,50,50,50,0;0,75,75,75,0;100,100,100,100,100]Pot=[0,0];for i=2:4for j=2:4PotX(i-1,j-1)=(X(i-1,j)+X(i,j-1)+X(i+1,j)+X(i,j+1))/4 Pot(1)=abs(PotX(i-1,j-1)-X(i,j));Pot(2)=max(Pot)endendX(2:4,2:4)=PotXnum=1;while(max(1000.*Pot)>1)Pot(2)=0; (,1,2,......) (0,1,2,......)i j k ==for i=2:4for j=2:4PotX(i-1,j-1)=(X(i-1,j)+X(i,j-1)+X(i+1,j)+X(i,j+1))/4 Pot(1)=abs(PotX(i-1,j-1)-X(i,j));Pot(2)=max(Pot)endendX(2:4,2:4)=PotXnum=num+1endsurf([0:4],[0:4],X);shading interpcolorbar('horiz')title('有限差分法计算电位图');2、运行结果X =0 0 0 0 00 25 25 25 00 50 50 50 00 75 75 75 0100 100 100 100 100%%第一次迭代PotX =18.7500Pot =6.2500 6.2500PotX =7.1440 9.8230 7.144018.7515 25.0023 18.751542.8583 52.6801 42.8583Pot =1.0e-003 *0.3815 0.7629%%第28次迭代X =0 0 0 0 00 7.1440 9.8230 7.1440 00 18.7515 25.0023 18.7515 00 42.8583 52.6801 42.8583 0100.0000 100.0000 100.0000 100.0000 100.0000num =283、波形图matlab软件在使用有限差分法研究静电场边值问题中有着重要的作用,它能够快捷有效并且准确的解决边值问题,是解决计算相对复杂问题的有效工具。
电磁场实验报告实验一 模拟电偶极子的电场和等位线学院:电气工程及其自动化 班级: 学号: 姓名:实验目的: 1、了解并掌握 MATLAB 软件,熟练运用 MATLAB 语言进行数值运算。
2、熟练掌握电偶极子所激发出的静电场的基本性质 3、掌握等位线与电力线的绘制方法实验要求: 1、通过编程,完成练习中的每个问题,熟练掌握 MATLAB 的基本操作。
2、请将原程序以及运行结果写成 word 文档以方便检查实验内容:一、相关概念回顾 对于下图两个点电荷形成的电场两个电荷共同产生的电位为: pq 4π 0(1 r11 r2)q 4π 0r2 r1 r1r2其中距离分别为 r1 (x q1x)2 ( y q1y)2 , r2 (x q2x)2 ( y q2 y)2 电场强度与电位的关系是 E p 等位线函数为: (x, y, z) C电力线函数为: Ex Ey dx dy二、实验步骤 1、打开 MATLAB 软件,新建命令文档并保存,并在文档中输入程序。
2、输入点电荷 q1 的坐标(q1x,q1y), 以及 q1 所带的电量。
调用 input 函数。
如果不知道该函数的使用方法可在 MATLAB 命令行处键入 doc input。
3、输入点电荷 q1 的坐标(q1x,q1y), 以及 q1 所带的电量。
4、定义比例常系数 1 9e9 , 命令为 k=9e9。
4π 05、定义研究的坐标系范围为 x 5,5, y 5,5,步长值为 0.1。
6、将x,y两组向量转化为二维坐标的网点结构,函数为meshgrid。
命令为 [X,Y]=meshgrid(x,y),如果不知道该函数的使用方法可在MATLAB命令行处键入 doc meshgrid。
7、计算任意一点与点电荷之间的距离 r,公式为 r1 (x q1x)2 ( y q1y)2 ,r2 (x q2x)2 ( y q2 y)2q 11 V ( ) 8、计算由 q1,q2 两个点电荷共同产生的电势 4π0 r1 r2 9、注意,由于在 q1 和 q2 位置处计算电势函数为无穷大或者无穷小,因此要把 这两点去掉掉,以方便下面绘制等势线。
实验一 静电场仿真1.实验目的建立静电场中电场及电位空间分布的直观概念;2.实验仪器计算机一台3.基本原理当电荷的电荷量及其位置均不随时间变化时,电场也就不随时间变化,这种电场称为静电场;点电荷q 在无限大真空中产生的电场强度E 的数学表达式为204qE r r πε= r 是单位向量 1-1真空中点电荷产生的电位为04qr ϕπε= 1-2其中,电场强度是矢量,电位是标量,所以,无数点电荷产生的电场强度和电位是不一样的,电场强度为1221014ni n i i i q E E E E r r πε==+++=∑ i r 是单位向量1-3 电位为121014ni n i i q r ϕϕϕϕπε==+++=∑ 1-4 本章模拟的就是基本的电位图形;4.实验内容及步骤1 点电荷静电场仿真题目:真空中有一个点电荷-q,求其电场分布图;程序1:负点电荷电场示意图clearx,y=meshgrid-10:1.2:10;E0=8.85e-12;q=1.610^-19;r=;r=sqrtx.^2+y.^2+1.010^-10m=4piE0r;m1=4piE0r.^2;E=-q./m1.r;surfcx,y,E;负点电荷电势示意图clearx,y=meshgrid-10:1.2:10; E0=8.85e-12;q=1.610^-19;r=;r=sqrtx.^2+y.^2+1.010^-10m=4piE0r;m1=4piE0r.^2;z=-q./m1surfcx,y,z;xlabel'x','fontsize',16ylabel'y','fontsize',16title'负点电荷电势示意图','fontsize',10程序2clearq=2e-6;k=9e9;a=1.0;b=0;x=-4:0.16:4;y=x; X,Y=meshgridx,y;R1=sqrtX+1.^2+Y.^2+1.010^-10;R2=sqrtX-1.^2+Y.^2+1.010^-10;Z=qk1./R2-1./R1;ex,ey=gradient-Z;ae=sqrtex.^2+ey.^2;ex=ex./ae;ey=ey./ae; cv=linspaceminminZ,maxmaxZ,40; contourX,Y,Z,cv,'k-';hold onquiverX,Y,ex,ey,0.7;clearq=2e-6;k=9e9;a=1.0;b=0;x=-4:0.15:4;y=x; X,Y=meshgridx,y;R1=sqrtX+1.^2+Y.^2+1.010^-10;R2=sqrtX-1.^2+Y.^2+1.010^-10;U=qk1./R2-1./R1;ex,ey=gradient-U;ae=sqrtex.^2+ey.^2;ex=ex./ae;ey=ey./ae; cv=linspaceminminU,maxmaxU,40; surfcx,y,U;实验二恒定电场的仿真1.实验目的建立恒定电场中电场及电位空间分布的直观概念;2.实验仪器计算机一台3.基本原理电场的大小和方向均不随时间变化的场称为恒定电场,如直流导线,虽说电荷在导线内运动,但电场不随时间变化而变化,所以,直流导线形成的电场是恒定电场;对于恒定电场,我们可以假设其为静电场,假设有静止不动的分布在空间中的电量q产生了这一电场;通过一些边界条件等确定自己所需要的变量,然后用静电场的方法来求解问题;4.实验内容及步骤1高压直流电线表面的电场分布仿真题目:假设两条高压导线分别是正负电流,线间距2m,线直径0.04m,电流300A,两条线电压正负110kV,求表面电场分布;程序clearx,y=meshgrid -2:0.1:2; r1=sqrtx+1.^2+y.^2+0.14; r2=sqrtx -1.^2+y.^2+0.14; k=100/log1/0.02; E=k1./r1-1./r2; surfcx,y,E;xlabel'x','fontsize',16 ylabel'y','fontsize',16 title'E','fontsize',10 RR D=2m X Y P 图2-1高压直流电线示意图 R2 R1clearx,y=meshgrid-2:0.1:2;r1=sqrtx+1.^2+y.^2+0.14; r2=sqrtx-1.^2+y.^2+0.14; k=100/log1/0.02;m=log10r2./r1;U=km;surfcx,y,U;xlabel'x','fontsize',16 ylabel'y','fontsize',16title'U','fontsize',10实验三 恒定磁场的仿真1.实验目的建立恒定磁场中磁场空间分布的直观概念;2.实验仪器计算机一台3.基本原理磁场的大小和方向均不随时间变化的场,称为恒定磁场; 线电流i 产生的磁场为:024IdldB r μπ=说明了电流和磁场之间的关系,运动的电荷能够产生磁场;4.实验内容及步骤圆环电流周围引起的磁场分布仿真题目:一个半径为0.35的电流大小为1A 的圆环,求它的磁场分布;分析:求载流圆环周围的磁场分布,可以用毕奥—萨伐尔定律给出的数值积分公式进行计算:图3-1载流圆环示意图程序 clear x=-10:0.5:10; u0=4pi10^-7; R=0.35;I=1;B=u0IR.^2./2./R.^2+x.^2.^3/2; plotx,B;RrpxdB实验四电磁波的反射与折射1.实验目的1熟悉相关实验仪器的特性和使用方法2掌握电磁波在良好导体表面的反射规律2.实验仪器DH1211型3厘米信号源1台、可变衰减器、频率调节器、电流指示器、喇叭天线、金属导体板1块、支座一台;3.基本原理电磁波在传播过程中如遇到障碍物,必定要发生反射;当电磁波入射到良好导体近似认为理想导体平板上时将发生全反射;电磁波入射到良好导体近似认为理想导体平板时,分为垂直入射和以一定角度入射称为斜入射;如图4-1所示;入射线与分界面法线的夹角为入射角,反射线与分界面法线的夹角为反射角;垂直入射斜入射入射角0°、反射角0°入射角45°、反射角45°图4-1用一块金属板作为障碍物,测量当电波以某一入射角投射到此金属板上的反射角,验证电磁波的反射规律:1电磁波入射到良好导体近似认为理想导体平板上时将发生全反射; 2入射角等于反射角;4.实验内容及步骤1熟悉仪器的特性和使用方法 2连接仪器,调整系统3测量入射角和反射角反射全属板放到支座上时,应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致;而把带支座的金属反射板放到小平台上时,应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应900刻度的一对刻线一致;这时小平台上的00刻度就与金属板的法线方向一致;转动小平台,使固定臂指针指在某一角度处,这一角度的读数就是入射角,然后转动活动臂在表头上找到一个最大指示,此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角;支座 喇叭天线金属导体铝板频率调节器DH1121B 3厘米信号源可变衰减器电流指示器检波器活动臂。
电磁场与电磁波实验
实验二静电场边值问题研究实验成绩:
请务必填写清楚姓名、学号、班级及理论课任课老师。
实验二静电场边值问题研究实验
一、实验目的:
1.通过虚拟仿真,观察平行板电容器与加盖导体槽内部的电场分布。
2.学习用模拟法测量静电场的方法。
3.了解影响实验精度的因素。
二、实验装置
被测模型有两个:一个用来模拟无边缘效应的平行板电容器中的电位分布;另一个用来模拟有金属盖的无限长接地槽形导体内电位分布。
被模拟的平行板电容器,加盖槽形导体及它们对应的模型如图1所示。
图1
被测模型是在碳素导电纸上按所需的几何形状,尺寸制成如图1所示的金属“电极”。
为保证各被测点位置,采用“网格板”来定位。
该“网格板”是用透明塑料薄板,板上沿X、Y坐标轴每一厘米打一个小孔,这样就形成了一个正方形网格阵。
三、实验原理:
对于复杂边界的静电场边值问题,用解析法求解很困难,甚至是不可能的。
在实际求解过程中,直接求出静电场的分布或电位又很困难,其精度也难以保证。
本实验根据静电场与恒定电流场的相似性,用碳素导电纸中形成的恒定电流场来模拟无源区域的二维静电场,从而测出边界比较复杂的无源区域静电场分布。
在静电场的无源区域中,电场强度'E 电位移矢量'D 及电位ϕ满足下列方程:'''''00E D D E E εϕ
∇⨯=∇⋅===-∇ \*MERGEFORMAT (1)式中ε为静电场的介电常数。
在恒定电流场中,电场强度E 、电流密度J 及电位φ满足下列方程:00E J J E E σφ
∇⨯=∇⋅===-∇ \*MERGEFORMAT (2)式中σ为恒定电流场中导电媒质的电导率。
因为方程组(1)与方程组(2)在形式上完全相似,所以ϕ(静电场中的电位分布函数)与φ(恒定电流场中的电位分布函数)应满足同样形式的微分方程。
由方程组(1)和方程组(2)很容易求得:
()0
εϕ∇⋅∇=\*MERGEFORMAT (3)()0σφ∇⋅∇=\*MERGEFORMAT (4)
式中ε与σ处于相应的位置,它们为对偶量。
若ε与σ在所讨论区域为均匀分布(即其值与坐标无关),则方程(3)、(4)均可简化为拉普拉斯方程:
20
ϕ∇=\*MERGEFORMAT (1.5)
20φ∇=\*MERGEFORMAT (1.6)
电位场解的唯一定理可知:满足相同微分方程的两个电位场,它们具有相同的边界电位值,因此,在保证边界电位值不变的情况下,我们可以用恒定电流场的模型来模拟无源区域的静电场,当静电场中媒质为均匀媒质时,其导电媒质也应为均匀媒质,这样测得的恒定电流场的电位分布就是被模拟的静电场的电位分布,不需要任何改动。
四、实验内容:
Part A 虚拟仿真平行板电容器与加盖导体槽内的电位分布
使用Matlab 或其它编程语言,编写程序,对被测模型的电位分布进行仿真。
1.自选仿真软件,自行设定参数,建立模型,对平行板电容器的电位分布
进行虚拟仿真,观察平行板电容器的电位分布趋势,并将仿真结果图记录到实验报告。
2.自选仿真软件,自行设定参数,建立模型,对加盖导体槽内部的电位分
布进行虚拟仿真,观察加盖导体槽内部的电位分布趋势,并将仿真结果图记录到实验报告。
3.将程序代码及相应的说明文字和图形附到实验报告的附录中,不够可附
页。
可以使用Matlab 的pdetool 工具箱,利用其图形化界面进行简单设置即可实现建模仿真,请将其设置参数截图与步骤说明记录到附录中。
Part B 模拟法测量平行板电容器与加盖导体槽内的电位分布
1.设置直流稳压电源输出为12V。
2.依次将两个被测模型连接好电路,如图2所示。
先测稳压源输出电压并
记入测量数据表头,估算三用表测量误差。
注意,加盖导体槽槽盖接电
源正极(+12V),槽体接电源负极(0V)。
图2
3.使用万用表在自制“网格板”上逐点测量各点电位值,并记录到实验报
告中。
五、实验数据:
Part A虚拟仿真平行板电容器与加盖导体槽内的电位分布
1.平行板电容器的电位分布仿真图
2.加盖导体槽内的电位分布仿真图
Part B模拟法测量平行板电容器与加盖导体槽内的电位分布
1.平行板电容器:u=(v)
2.加盖槽形导体:u=(v)
六、思考题:
本实验方法很简单,但是一个工程上很有效的一种方法。
因此,除测出所需
点电位分布外,还要深入理解有关的一些问题。
在做实验报告时除一般要求内容数据外,还要回答下列问题:
1.将平行板电容器的被测模型所测的数据画出图,与平行板电容器理论上
的距离—电位比较。
编写程序,绘制测量数据与理论数据距离—电位曲线图,并将程序代码附在附录中。
2.根据所测得的边界条件数据,编程算出加盖模型空间内X=3、Y=7(厘
米)点电场的近似值E(3,7)=?若要精确求出各点电场值,实验应该如何改进?
3.造成本实验误差的因素有哪些?应如何克服?
4.如果想要模拟三维边值型静电场,你认为可以采取什么方法?
可以将三维边值型静电场分解细化为多个小模型,再将小模型的模拟结
果相叠加从而得到三维边值型静电场的模拟结果。
附录:
请在此处附上虚拟仿真程序代码及其他需要附录的文字说明或图,可附页。
平行板电容器的电位分布仿真步骤
1.搜索打开PDETOOL工具
2.用矩形工具画出两个平行板R1、R2
3.分别双击两平板R1、R2,设置其位置以及大小
4.用矩形工具画出一个平板R3作为边界,然后双击设置其参数
5.将函数方程改为R3-R1-R2
6.点击下图中圈出的按钮增加网格
7.将所求类型改为电势
8.如下图操作进入边界模式
9.分别双击下图中两条边界,设置其边界条件
10.点击Plot--->Parameters...准备开始模拟
11.设置参数如下,然后点击plot开始绘图
(二)加盖导体槽内的电位分布仿真
1.搜索打开PDETOOL
2.点击options中的Grid和Grid spacing
1将x-axis linear spacings设置为-1.5:0.2:1.5
2y-axis linear spacings设置为auto
3.用矩形工具画一个大矩形R1
4.将所求类型改为电势
5.进入边界模式,并设置边界条件(除上边界外其余全为h=1,r=0;上边界
设置恰当值--如图)
6.点击PDE specification
将介电常数epsilon设置为1
体电荷密度rho设置为0
7.点击下图圈住按钮添加网格
8.点击plot中的parameters...并设置相关参数,最后点击plot开始绘制。