物理电磁学论文

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电磁学原理的应用论文

电磁学原理的应用论文

电磁学原理的应用论文1. 引言电磁学是物理学的一个重要分支,研究电场和磁场以及它们之间的相互作用。

电磁学原理在各个领域得到广泛应用,包括通信、能源、医学等。

本论文将探讨电磁学原理在不同领域的应用案例,并分析其原理和效果。

2. 通信领域应用2.1 电磁波传输•无线通信中常用的调制技术有频率调制、相位调制和幅度调制。

•调制技术基于电磁波的传播原理,通过改变电磁波的频率、相位或幅度来传输信息。

2.2 电磁波天线•通信系统中常用的天线类型有单极天线、双极天线、饼形天线等。

•这些天线通过辐射电磁波来实现无线通信,天线的设计和调整基于电磁学原理。

2.3 频率选择性表面•频率选择性表面(FSS)通过设计和布局特定形状和尺寸的导电元件,选择特定的频率波段进行传输。

•FSS在通信领域中被广泛应用于天线设计、电磁波隔离等。

3. 能源领域应用3.1 电磁感应发电•电磁感应发电是将磁场相对于导线产生感应电动势,并通过导线形成电流,实现能量转换的原理。

•应用电磁学原理设计的电磁感应发电装置广泛应用于各种发电系统,例如风力发电、水力发电等。

3.2 电磁辐射加热•电磁辐射加热利用电磁场对材料的吸收和转化,实现物体加热的原理。

•该原理应用于工业加热、医疗设备等领域,具有高效、环保等优势。

4. 医学领域应用4.1 磁共振成像(MRI)•磁共振成像利用人体组织对强磁场和射频信号的响应来获得影像。

•MRI是一种无创性的检查方法,应用于医学诊断、病理学研究等领域。

4.2 细胞电生理实验•细胞电生理实验通过记录和分析细胞膜上的电流、电势变化,研究细胞的电生理特性。

•应用电磁学原理的电生理研究在解析生物系统的工作原理、疾病治疗等方面具有重要意义。

5. 结论电磁学原理是现代科学和技术的核心基础,其应用涉及到多个领域。

本论文简要介绍了电磁学原理在通信、能源和医学领域的应用案例。

通过对这些案例的分析,可以看出电磁学原理在实际应用中的重要性和价值。

高中物理电磁学教学方法研究论文五篇

高中物理电磁学教学方法研究论文五篇

高中物理电磁学教学方法研究论文五篇第一篇:高中物理电磁学教学方法研究论文高中物理电磁学是将磁场与电场结合在一起,整体突出场与路的关系。

物理教师在教学过程中需要帮助学生深入了解电磁学的特点,运用针对性的教学方法,理论结合实践对学生进行教学,帮助学生掌握电磁学知识。

1、了解高中物理电磁学的特点与注意事项高中物理主要思路就是力与运动、功与能的转换,所以对于高中物理的电磁学教学也需要充分把准这一命脉,将其作为教学的基本思路。

电磁学在高中物理课程的设置中由场和路两方面构成,所以在电磁学教学过程中也应该从这2方面进行教学,帮助学生理解和掌握其基本概念,找出电磁学的基本规律,最终更好地解决电磁场综合问题,完成对电磁学的学习。

例如,在电磁学问题的解答过程中,首先根据粒子在不同的运动情况或者物理现象下都是以力与运动的联系进行组合,将电磁学的问题转换为力与运动或者是功与能的问题。

这样,解题思路得以显现,再对电磁学问题进行力学分析,将粒子运动状态所体现的受力情况完全显露出来,再应用牛顿定律,最终完成电磁学中力学的讨论部分。

同时,对于电磁学中功与能的问题就需要应用能量守恒与转化的观点,列出能量方程式,让电磁学问题迎刃而解。

对于电磁学的教学就是抓住电磁学特点,将抽象的电磁运动转化为宏观的力学与能量问题,利于学生运用已知的知识解决未知的问题。

在电磁学教学过程中,还需要注意尽量帮助学生理解抽象的物理现象,帮助学生运用丰富的想象掌握电磁学运动问题,总结解题的一般思路。

2、高中物理电磁学教学方法分类既然电磁学主要包括了场与路,那么在教学方法的选择上就可采用将这二者分开研究的方式进行。

物质与物质相互作用形成电磁学的场,例如匀强电场、匀强磁场等可以从场入手,对学生进行电磁学的讨论与研究。

而对于电磁学中的路,包括磁感线、电路等,例如匀强磁场与电路的关系就可以反映出它们存在某种特殊的联系。

在电磁学教学过程中可以以场为研究对象,以路为研究方法:1)对于“电生磁”与“磁生电”的讨论中,会运用逆向教学的方法,让学生去思考和探索未知的问题。

大学物理论文3000字(精选5篇)

大学物理论文3000字(精选5篇)

⼤学物理论⽂3000字(精选5篇) ⽆论是在学习还是在⼯作中,⼤家都尝试过写论⽂吧,借助论⽂可以达到探讨问题进⾏学术研究的⽬的。

你知道论⽂怎样写才规范吗?下⾯是⼩编收集整理的⼤学物理论⽂3000字(精选5篇),希望能够帮助到⼤家。

⼤学物理论⽂篇1 摘要: 电磁运动是物质的⼜⼀种基本运动形式,电磁相互作⽤是⾃然界已知的四种基本相互作⽤之⼀,也是⼈们认识得较深⼊的⼀种相互作⽤。

在⽇常⽣活和⽣产活动中,在对物质结构的深⼊认识过程中,都要涉及电磁运动。

因此,理解和掌握电磁运动的基本规律,在理论上和实际上都有及其重要的意义,这也就是我们所说的电磁学。

关键词: 电磁学,电磁运动 1.库伦定律 17xx年法国物理学家库伦⽤扭秤实验测定了两个带电球体之间的相互作⽤的电⼒。

库伦在实验的基础上提出了两个点电荷之间的相互作⽤的规律,即库仑定律: 在真空中,两个静⽌的点电荷之间的相互作⽤⼒,其⼤⼩和他们电荷的乘积成正⽐,与他们之间距离的⼆次⽅成反⽐;作⽤的⽅向沿着亮点电荷的连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。

这是电学以数学描述的第⼀步。

此定律⽤到了⽜顿之⼒的观念。

这成为了⽜顿⼒学中⼀种新的⼒。

与驽钝万有引⼒有相同之处。

此定律成了电磁学的基础,如今所有电磁学,第⼀必须学它。

这也是电荷单位的来源。

因此,虽然库伦定律描述电荷静⽌时的状态⼗分精准,单独的库伦定律却不容易,以静电效应为主的复印机,静电除尘、静电喇叭等,发明年代也在1960以后,距库伦定律之发现⼏乎近两百年。

我们现在⽤的电器,绝⼤部份都靠电流,⽽没有电荷(甚⾄接地以免产⽣多余电荷)。

也就是说,正负电仍是抵消,但相互移动。

──河中没⽔,不可能有⽔流;但电线中电荷为零,却仍然可以有电流! 2.安培定律 法国物理学家安培(Andre Marie Ampere, 1775-1836)提出:所有磁性的来源,或许就是电流。

他在18xx年,听到奥斯特实验结果之后,两个星期之内,便开始实验。

电磁学的原理及其应用论文

电磁学的原理及其应用论文

电磁学的原理及其应用论文电磁学是自然界一项重要的物理学分支,研究电荷之间的相互作用及其与磁场之间的关系。

其原理是基于麦克斯韦方程组,描述了电磁场的行为与相互作用,其中包括库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律和麦克斯韦-安培定律等。

电磁学的原理在实际应用中有着广泛的应用,可以用于电路分析、电磁波传播、电磁传感器等方面。

首先,电磁学原理可以用于电路分析。

在电路中,通过应用欧姆定律和基尔霍夫定律等电磁学原理,我们可以分析电路中各个元件之间的电流和电压关系,帮助我们理解电路的工作原理,研究电路中的功率、电阻、电容和电感等参数。

例如,在设计电子设备时,我们需要通过电磁学原理计算电路中的电流和电压分布,确保电路的正常工作。

其次,电磁学原理在电磁波传播中有着重要的应用。

根据麦克斯韦方程组,我们可以推导出电磁波的传播方程,进一步研究电磁波的传播特性。

在通信系统中,例如无线电与光纤通信中,我们可以利用电磁学原理,研究电磁波在不同介质中的传播速度、传播损耗和反射折射等现象,从而优化通信系统的设计和性能。

此外,电磁学原理也有着广泛的应用于电磁传感器中。

根据法拉第电磁感应定律,当一个导体相对于磁场发生运动时会产生感应电动势。

这一原理被广泛应用于感应电机、发电机和变压器等电磁传感器中,将机械能转化为电能或者电能转化为机械能。

例如,在电能供应方面,我们利用电磁感应原理,通过转动磁铁和线圈的相对运动,产生变化的磁场,从而产生交流电,实现电能的传输和分配。

综上所述,电磁学的原理可以广泛应用于电路分析、电磁波传播和电磁传感器等方面。

通过运用电磁学原理,我们能够深入研究电磁场的特性,提高电路和通信系统的设计与性能。

在实际应用中,电磁学原理为我们解决电磁场及其相互作用的问题提供了重要的理论基础,推动了电子技术的发展和应用。

谈高中物理电磁学相关教学方法论文

谈高中物理电磁学相关教学方法论文

谈高中物理电磁学相关教学方法论文谈高中物理电磁学相关教学方法论文前言:在高中物理学科授课中,电磁学是该学科较为重要的授课内容,由于该内容具有较强的复杂性,学生对该内容的掌控度较低,学生对该授课内内容的兴趣度较低。

因此,高中物理授课人员应当采用科学性路径增加学生对该学科授课内容的兴趣度,从而使学生对该授课内容的掌控度增加。

在该内容的授课中,教师应当还原学生的主体性,增加对学生的尊重度,引导学生对相关内容进行自主性知识获取,教师也应当采用科学性路径对自身素质进行优化。

笔者在下文对提升该内容授课有效性的科学性路径进行阐述,望能够将对该内容的授课效能最大化。

一、电磁学授课内容结构在众多物质运动中,电磁运动是其中的一种,该运动在自然界较多现象中存在。

在电磁现象的探究中,电磁学是较为重要的学科,在高中物理中对电磁学的基础内容进行授课。

因此,教师应当增加对该授课内容授课的着重度[1]。

电磁学的授课内容包括电磁现象、电磁辐射等内容。

由于该授课内容的复杂性较强,学生对该内容的掌控度不足。

(一)电磁学的探究方式在高中物理电磁学授课中,教师应当采用科学性路径对该授课内容进行探究,电磁学中主要存有两个重点:一个是电场,一个是磁场。

因此在授课中教师应当采用科学性路径引导学生区分二者,从而使学生对授课内容的兴趣度增加,也使学生能够进行自主性知识探究。

(二)物理授课规律在高中物理电磁学授课中,教师在对学生进行某定理授课时,首先可以引导学生对相关物理现象进行观察。

然后进行实验,通过实验对相关结论进行总结[2]。

在该环节中,教师应当引导学生对实验对象中的关系进行分析,并通过规范的语言对其进行总结,从而使学生对相关知识的掌控度增加。

教师在授课中应当知晓,一个物理理论的形成需要对较多物理概念进行积累。

因此,教师应当引导学生增加知识累积量。

(三)通过电磁学授课向学生传递电磁场是物质的理念高中物理授课人员应当将该内容分为电现象和磁现象两部分进行授课,但在授课中,教师还应当增加二者的关联性,从而增加学生对相关知识的掌控度。

物理中电磁感应论文

物理中电磁感应论文

物理中电磁感应论文摘要:在研究平衡类问题时,首先要确定研究对象,对其进行受力分析,然后根据平衡条件建立方程,最后结合电磁感应规律求解具体问题。

对于能量类问题,要注意电磁感应过程中的能力守恒及转换,寻找关系,列出方程。

电量计算也是电磁感应中应该注意的问题之一,可以由交流电中的平均电流求电量,也可以用动量定理求电磁感应中的电量,还可以利用表达式q=δφ/r计算电量。

关键字:物理;电磁感应;教与学物理学是人们在实验与长期生活实践的基础上总结出来的科学,它具有很强的实验性。

物理学教学就是培养学生的观察能力、实验能力、分析问题与解决问题能力。

物理学习过程中,电磁感性涉及的知识面较广,是知识的重点,是高考物理命题的热点,且比较晦涩难懂。

电磁感应现象与磁场、直流电路、力和运动、动量和能量等知识点联系密切,与这些知识点密切相关的综合性问题在考试中也时常出现,因此,要注意培养学生运用这些知识解决实际问题的能力。

一、物理中电磁感应教与学首先,重视预习,从阅读中发现问题。

学生通过教材复习,了解课程要讲授的问题。

教师根据教学大纲的要求及学生的实际水平,做好备课,准备好思考题,让学生在复习过程中发现问题,寻找有关答案,培养学生的自学能力与解决问题的能力。

例如,在讲授“电磁感应现象”这节之前,教师提出“产生感应电流的条件是什么?如何判定感应电流的方向?”之类的问题,让学生通过阅读教材找到答案,在学习过程中有的放矢,主动寻求知识。

通过预习这种方式,学生通过完成思考题,掌握教材中简单的理论知识,有利于教师集中时间讲解重点、难点。

其次,重视实验教学,培养学生的动手能力。

实验教学将物理知识化抽象为具体,使学生直观地观察实验,进而培养学生的观察能力、动手能力和形象思维能力。

学生通过具体实验操作,掌握了实验原理及技巧,提高了学习效率。

例如,学生通过“电磁感应”实验,学生通过实验,从实验中学习到利用磁场可以产生电流,并且可以判断感应电流的方向与产生条件,这样学生不仅掌握了实验技巧,还通过实验验证教材中的理论知识,丰富了学生的知识,使学生成为学习的主人,为掌握本节重点奠定基础。

电磁学的应用及原理论文

电磁学的应用及原理论文

电磁学的应用及原理论文引言电磁学是物理学的重要分支,研究电荷之间的相互作用以及电场和磁场对物体的影响。

电磁学的应用十分广泛,涵盖了许多领域,包括工业、通信、医学等。

本论文将介绍电磁学的应用及其原理,探讨其在各个领域中的重要性和影响。

电磁学的基本原理电磁学的研究基于两个基本方程:电场的高斯定律和磁场的法拉第定律。

根据这些基本方程,我们可以推导出许多电磁学的定律和理论。

以下是一些电磁学的基本原理:•库仑定律:描述了两个电荷之间的力和它们之间的相互作用。

电磁力的大小与电荷之间的距离成反比,与它们的电荷量的乘积成正比。

•安培定律:描述了电流通过导线时产生的磁场。

根据安培定律,电流的大小和方向决定了所产生磁场的强度和方向。

•法拉第定律:描述了磁场对电流产生的感应力。

根据法拉第定律,当一个导体在磁场中运动时,磁场会对导体中的电荷产生力,从而产生感应电流。

电磁学的应用电磁学在工业领域中的应用电磁学在工业领域中有着广泛的应用。

以下是一些示例:1.电动机:电动机是将电能转化为机械能的设备,它利用电磁场中的相互作用来产生转矩。

电动机广泛应用于各种机械设备中,如风力发电机、电动汽车等。

2.发电机:发电机是将机械能转化为电能的设备,它利用电磁学原理来产生电流。

发电机广泛应用于电力系统中,为我们提供稳定的电力供应。

3.变压器:变压器是将交流电的电压变换为不同电压的装置,它利用电磁学原理来实现电压的转换。

变压器在电力系统中起到重要的作用,帮助实现电能的传输和分配。

电磁学在通信领域中的应用电磁学在通信领域中起着至关重要的作用。

以下是一些示例:1.电磁波传输:无线电、电视、手机等通信设备都是利用电磁波进行信息传输的。

电磁学原理帮助我们理解电磁波的传播和调制技术,从而实现高效的通信。

2.天线技术:天线是接收和发送无线电波的设备,它利用电磁学原理来实现无线通信。

不同类型的天线可以接收和发射不同频率的电磁波,如Wifi、蓝牙等。

3.电磁兼容性:电磁兼容性是指设备在电磁环境中能够正常工作,而不会相互干扰。

论文电磁学及其原理的应用

论文电磁学及其原理的应用

论文电磁学及其原理的应用1. 引言电磁学是研究电荷之间相互作用和电磁场的性质的学科。

它在物理学理论体系中占据着重要的地位,并且在现代科技发展中有着广泛的应用。

本文将介绍电磁学的基本原理,并探讨其在论文撰写过程中的应用。

2. 电磁学基本原理2.1 电磁场的产生和特性•电荷与电荷之间的相互作用产生电磁场。

•电磁场具有电场和磁场两个相互垂直且相互作用的成分。

•电磁场的特性包括电场强度、磁感应强度、电势和标势等。

2.2 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是描述电磁场的基本方程,包括:•高斯定律:电场通过任意闭合曲面的总通量等于被该曲面围住的电荷总量除以介电常数。

•麦氏定律:磁场沿任意闭合曲面的环路积分为零。

•法拉第定律:磁感应强度的变化率等于通过该表面的电场沿边界线的环路积分。

2.3 电磁波电磁波是由变化的电场和磁场相互作用而产生的,并能够在空间中传播的波动现象。

根据频率的不同,电磁波可以分为不同的频段,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线和 X 射线等。

3. 论文电磁学的应用3.1 电磁学在天文学中的应用•电磁学帮助研究天体的电磁辐射特性,从而了解宇宙的结构和演化。

•通过电磁波观测天体,可以获取宇宙中的各种信息,如星系的距离、恒星的温度、星云的组成等。

3.2 电磁学在通信技术中的应用•电磁学为现代通信技术的实现提供了基础理论和工具,如无线通信、卫星通信等。

•通过电磁波的传播和接收,实现信息的传递和交流。

3.3 电磁学在材料科学中的应用•电磁学研究材料的电磁性质,为材料的设计和应用提供理论依据。

•电磁学在超导体、磁性材料、光学材料等领域的应用日益重要。

3.4 电磁学在医学影像中的应用•电磁学在医学影像中的应用主要包括磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)和正电子发射断层成像(PET)等。

•通过对人体内部的电磁信号的探测和分析,可以获得人体器官的结构和功能信息。

4. 结论电磁学是一门重要的学科,它的理论和应用研究对于现代科技的发展至关重要。

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物理电磁学论文现代人的生活已经离不开电,与此同时,电磁也充斥着我们生活中的每一个角落。

随着电磁学,电磁技术的发展,我们已经离不开它了,在越来越多的领域,越来越多的角落,电磁学都在发挥着它的作用。

1电磁对家庭输电的影响现在人们越来越关注周围的生活环境了,所谓的污染已经不再是我们的眼睛所能看到的垃圾,耳朵听到的噪声,鼻子闻到的恶臭,还有我们看不见,摸不着的电磁辐射。

随着科学技术的发展和信息社会的到来,我们的居室内不仅有冰箱,彩色电视机,洗衣机,微波炉和空调机等家用电器,而且不少家庭中还有计算机,传真机等多种信息交流的工具,相应地,进入每个家庭的输电线强磁场对人体也特别有害处。

摘要:介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态,对几种富有代表性的算法做了介绍,并比较了各自的优势和不足,包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。

关键词:矩量法;有限元法;时域有限差分方法;复射线方法1 引言1864年Maxwell在前人的理论(高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在)和实验的基础上建立了统一的电磁场理论,并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律,这就是著名的Maxwell方程。

在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式,最后得到解析解。

这种方法可以得到问题的准确解,而且效率也比较高,但是适用范围太窄,只能求解具有规则边界的简单问题。

对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧,甚至无法求得解析解。

20世纪60年代以来,随着电子计算机技术的发展,一些电磁场的数值计算方法发展起来,并得到广泛地应用,相对于经典电磁理论而言,数值方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。

但各种数值计算方法都有优缺点,一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决,常需要将多种方法结合起来,互相取长补短,因此混和方法日益受到人们的重视。

2 电磁场数值方法的分类电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。

频域技术主要有矩量法、有限差分方法等,频域技术发展得比较早,也比较成熟。

时域法主要有时域差分技术。

时域法的引入是基于计算效率的考虑,某些问题在时域中讨论起来计算量要小。

例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时,频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算,然后做傅里叶反变换才能求得解答,计算精度受到采样点的影响。

若有非线性部分随时间变化,采用时域法更加直接。

另外还有一些高频方法,如GTD,UTD和射线理论。

从求解方程的形式看,可以分为积分方程法(IE)和微分方程法(DE)。

IE和DE相比,有如下特点:IE法的求解区域维数比DE法少一维,误差限于求解区域的边界,故精度高;IE法适合求无限域问题,DE法此时会遇到网格截断问题;IE法产生的矩阵是满的,阶数小,DE法所产生的是稀疏矩阵,但阶数大;IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题,DE 法可直接用于这类问题〔1〕。

3 几种典型方法的介绍有限元方法是在20世纪40年代被提出,在50年代用于飞机设计。

后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。

目前,作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法,有限元法已非常著名。

有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。

其定解问题为:应用变分原理,把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题,利用对区域D的剖分、插值,离散化变分问题为普通多元函数的极值问题,进而得到一组多元的代数方程组,求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。

一般要经过如下步骤:①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。

②剖分场域D,并选出相应的插值函数。

③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题,得到如下一组代数方程组:其中:Kij为系数(刚度)矩阵;Xi为离散点的插值。

④选择合适的代数解法解式(2),即可得到待求边值问题的数值解Xi(i=1,2,…,N)(2)矩量法很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程(3)时域有限差分方法时域有限差分(FDTD)是电磁场的一种时域计算方法。

传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的,这些年以来,时域计算方法也越来越受到重视。

他已在很多方面显示出独特的优越性,尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。

FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式,这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。

电场和磁场分量在空间被交叉放置,这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。

在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着,反之亦然。

这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。

因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。

而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。

这正是电磁场的感应原理。

这些关系构成FDTD法的基本算式,通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算,在执行到适当的时间步数后,即可获得所需要的结果。

在上述算法中,时间增量Δt和空间增量Δx,Δy和Δz不是相互独立的,他们的取值必须满足一定的关系,以避免数值不稳定。

这种不稳定表现为在解显式差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。

为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件:其中:(对非均匀区域,应选c的最大值)〔4〕。

用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散,即在FDTD 网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。

这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等,因此必须考虑数值色散问题。

如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域,这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数,在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象,对此也应该进行定量的研究,以保证正确估计FDTD算法的精度。

在开放问题中电磁场将占据无限大空间,而由于计算机内存总是有限的,只能模拟有限空间,因此差分网格在某处必将截断,这就要求在网格截断处不引起波的明显反射,使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。

这就是在截断处设置吸收边界条件,使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射,当然不可能达到完全没有反射,目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求,如Mur所导出的吸收边界条件。

(4)复射线方法复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。

他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式,在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位,从而直接得出局部不均匀波(凋落波)的传播和散射规律〔5〕。

复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。

其共同特点在于:通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束/射线束(Bundle ofrays)分析模型;通过费马原理及其延拓,由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术,构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。

例如,复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间,利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索,从而求出复射线轨迹和复射线场。

这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播,因此,提供了一类分析波束传播的简便方法。

其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索,这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。

4 几种方法的比较和进展将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情,他比较新颖。

有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。

这种方法的各个环节可以实现标准化,得到通用的计算程序,而且有较高的计算精度。

但是这种方法的计算程序复杂冗长,由于他是区域性解法,分割的元素数和节点数较多,导致需要的初始数据复杂繁多,最终得到的方程组的元数很大,这使得计算时间长,而且对计算机本身的存储也提出了要求。

对电磁学中的许多问题,有限元产生的是带状(如果适当地给节点编号的话)、稀疏阵(许多矩阵元素是0)。

但是单独采用有限元法只能解决开域问题。

用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散,多年来人们一直在研究这个问题,试图找到一种有效、方便的离散方法,但由于电磁场领域的特殊性,这个问题一直没有得到很好的解决。

问题的关键在于一方面对复杂的结构,一般的剖分方法难于适用;另一方面,由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关,因而人们采用了许多方法来减少存储量,如多重网格法,但这些方法的实现较为困难。

网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一,采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。

自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整,在网格密集区采用高阶插值函数,以进一步提高精度,在场域分布变化剧烈区域,进行多次加密。

这些年有限元方法的发展日益加快,与其他理论相结合方面也有了新的进展,并取得了相当应用范围的成果,如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等,还包括一些尚处于探索阶段的工作,如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等,这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。

矩量法将连续方程离散化为代数方程组,既适用于求解微分方程,又适用于求解积分方程。

他的求解过程简单,求解步骤统一,应用起来比较方便。

然而 77他需要一定的数学技巧,如离散化的程度、基函数与权函数的选取,矩阵求解过程等。

另外必须指出的是,矩量法可以达到所需要的精确度,解析部分简单,可计算量很大,即使用高速大容量计算机,计算任务也很繁重。

矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用,已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。

FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式,得到关于场分量的有限差分式,针对不同的研究对象,可在不同的坐标系中建模,因而具有这几个优点,容易对复杂媒体建模,通过一次时域分析计算,借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应;能够实时在现场的空间分布,精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性;计算时间短。

但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制,其网格空间不能无限制的增加,造成FDTD方法不能适用于较大尺寸,也不能适用于细薄结构的媒质。

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