Mikä on sähkömagneettinen simulointi?

Käyttämällä likimääräisiä laskelmia Maxwellin yhtälöihin ja Faradayn lakiin, sähkömagneettiset simulaatiot ovat sähkömagneettisia malleja ja niiden vaikutuksia ympäristöön ja niiden fyysisiin rakenteisiin. Sähkömagneettista simulaatiota voidaan käyttää satelliittiantennin suuntaamiseen oikeaan suuntaan kanavien ja selkeyden saavuttamiseksi ja sen suorituskyvyn arvioimiseksi tai aallon etenemisen määrittämiseksi, kun se ei ole vapaassa tilassa. Nämä simulaatiot voivat auttaa tietokonepiirien tehokkaassa suunnittelussa ja viitata siihen, miten voidaan parantaa suurten elektroniikan suorituskykyä paikantamalla niiden komponenttien yhteensopimattomuudet. Sähkömagneettista säteilyä, joka kerätään ja hajaantuu ja sitten absorboidaan pienten hiukkasten avulla, käytetään simulaatiossa tieteellisissä hankkeissa Euroopan ydinvoimatutkimusjärjestön (CERN) laboratorioissa niiden hiukkaskiihdyttimille. Sähkömagneettisia simulointiohjelmia käytetään myös välineinä korkeakoulun fysiikan laboratorioissa opettamaan tehokkaammin, kun opiskelijat saavat käytännön kokemusta ongelmien ratkaisemisesta niiden avulla.

Maxwellin yhtälöiden ratkaiseminen kussakin ortogonaalisen tai ei-ortogonaalisen ruudukon pisteessä on yksi keinoista käyttää ruudukkoja avaruuden diskretoimiseksi luomalla tilan topologinen tutkimus. Näiden yhtälöiden ratkaiseminen sähkömagneettisessa simulaatiossa paljastaa usein ongelmia tietokoneen muistissa ja tehossa, koska ne voidaan yleensä tehdä vain supertietokoneilla askeleella kullekin ajanhetkelle koko verkkotunnuksessa, ratkaisemalla Maxwellin yhtälöt sellaisinaan tai jakamalla askel käyttämällä ajan iteroinnit ja nopeat Fourier -muunnokset. Nestemekaniikassa rajamenetelmää tai ”momenttimenetelmää” (MoM) voidaan soveltaa ratkaisemaan teknisiä ongelmia, akustiikkaa ja sähkömagneettisuutta. Tämä keskittää laskelmat vain tilan raja -alueisiin eikä tila -arvoihin koko tilan kaikissa vaiheissa.

Keittiön mikroaaltouuni on analoginen Faradayn häkin kanssa, mikä kuvaa kuinka sähkömagneettinen simulaatiomalli voi olla hyödyllinen sähkömagneettisessa suojauksessa. Metalliseinät tai muut vastaavat suojalaitteet voivat estää sähkövirrat, kun taas magneettivirtoja voidaan vain siirtää esteen ympäri. Faradayn häkissä, kun häkin seinät on maadoitettu, sähkövirran kulkua häiritsevät elektronit, jotka toimivat sähkövarauksen kantajina verkkokuviossa ja kompensoivat kentän; tämä aiheuttaa sähkövirran hajoamisen. Aivan kuten verkkoseinä mikroaalto -oven etupuolella estää mikroaaltoja pääsemästä ulos laitteesta, koska mikroaallot ovat suurempia kuin verkon pienet reiät, sähkömagneettisen verkon simulointi voi suunnitella hyvän suojan sähkövirroilta.

Sähkömagneettinen simulointimenetelmä, joka ratkaisee Maxwellin yhtälöt pyöräilemällä sähkökentän läpi yhden hetken ja sitten pyörimällä magneettikentän läpi seuraavan hetken ja toistuvasti vuorotellen yhä uudelleen ja uudelleen, tunnetaan äärellisen eron aika-alueen (FDTD) menetelmäksi simulaatioiden tuottaminen. EM -aaltojen vuorovaikutus materiaalirakenteiden teknisten ongelmien kanssa on ratkaistu tällä menetelmällä enemmän kuin mikään muu Yhdysvalloissa vuoden 1990 jälkeen. Sitä käytetään tutkan allekirjoitustekniikoiden, langattomien tekniikoiden ja biolääketieteellisen kuvantamisen ratkaisemiseen, vain muutamia sen käyttötarkoituksia varten .

Aaltomallinnus sähkömagneettista simulaatiota ja piirien analysointia varten voidaan suorittaa käyttämällä PEEC-kolmiulotteista (3-D) täysi-aallon mallinnusmenetelmää. Integraaliyhtälöt tulkitaan Kirchhoffin jännitelaiksi, ja niitä käytetään PEEC: n avulla PEEC-kennoon, joka antaa täydellisen piirin kolmiulotteisen geometrian ratkaisun, mikä mahdollistaa lisäpiirien tukemisen tasavirtasuunnittelulle. Tällaisten mallien käyttäminen sähkömagneettisessa simuloinnissa säästää aikaa ja rahaa integroitujen piirien valmistuksessa.

Yliopiston fysiikan laitokset ovat alkaneet käyttää videopelejä, jotka on suunniteltu antamaan oppilaille oppitunteja sähkömagneettisen simulaation avulla kuvatakseen opiskelijoille visuaalisesti fysiikan esitysten ilmiöitä. Tämä voi auttaa oppilaita ymmärtämään paremmin käsitteitä ja antamaan aivoille kokemuksia, jotka paljastavat heille heikkoudet omassa ymmärryksessään ja toimenpiteet näiden vahvistamiseksi. Sekä opiskelijat että opettajat ovat havainneet, että sekä nopeampaa että syvällisempää oppimista voidaan helpottaa käyttämällä todellisia esimerkkejä fysiikan käsitteiden ratkaisusta sähkömagneettisen simulointiohjelmiston avulla.