[發(fā)明專利]動(dòng)態(tài)地接受用戶輸入的快速、高效的實(shí)時(shí)電磁系統(tǒng)仿真器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980067512.0
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN112840390B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: D·M·科勒蘭;C·M·G·費(fèi)爾南德斯
• 申請（專利權(quán)）人: 埃洛韋奧有限公司
• 主分類號(hào): G09B23/18
• 分類號(hào): G09B23/18
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 劉瑜

描述了一種方法。該方法包括計(jì)算自由空間中的電場和/或磁場。該方法包括響應(yīng)于通過電場和/或磁場施加到一個(gè)或多個(gè)電荷和/或一個(gè)或多個(gè)電流環(huán)路的相應(yīng)的力，計(jì)算自由空間中的一個(gè)或多個(gè)電荷和/或一個(gè)或多個(gè)電流環(huán)路的新的相應(yīng)的位置和運(yùn)動(dòng)。該方法包括根據(jù)新的相應(yīng)的位置和運(yùn)動(dòng)以及電路內(nèi)的新的電荷運(yùn)動(dòng)，在計(jì)算系統(tǒng)的顯示器上同時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)電荷和/或一個(gè)或多個(gè)電流環(huán)路的相應(yīng)的圖像。

本申請是在美國政府支持下根據(jù)國家科學(xué)基金會(huì)授予的贈(zèng)款/合同號(hào)1927081完成的。因此，美國政府對本申請擁有一定權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的領(lǐng)域總體上涉及計(jì)算科學(xué)，并且更具體地涉及動(dòng)態(tài)地接受用戶輸入的快速、高效的實(shí)時(shí)電磁系統(tǒng)仿真器。

背景技術(shù)

電磁系統(tǒng)極其復(fù)雜。對于正在學(xué)習(xí)電磁學(xué)的學(xué)生或正在設(shè)計(jì)電磁系統(tǒng)的工程師兩者而言，對電磁系統(tǒng)行為的理解可能是尤其難懂的。另外，由于這種系統(tǒng)的復(fù)雜性，當(dāng)今的仿真器是麻煩的且要求異常長的時(shí)間量來對甚至簡單的電磁系統(tǒng)/環(huán)境進(jìn)行完全仿真。

附圖說明

結(jié)合以下附圖，可以從以下具體實(shí)施方式中獲得對本發(fā)明的更好的理解，其中：

圖1a至圖1k展示了基本的電磁場及其源；

圖2a至圖2m展示了示例性的自由空間仿真；

圖2n顯示了導(dǎo)電盤(conducting disk)；

圖3描繪了第一仿真方法；

圖4描繪了第二仿真方法；

圖5描繪了第三仿真方法；

圖6描繪了第四仿真方法；

圖7a至圖7f描繪了示例性的組合電路和自由空間仿真；

圖8描繪了計(jì)算系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

能夠動(dòng)態(tài)地接受定義電磁系統(tǒng)的用戶輸入并實(shí)時(shí)視覺地呈現(xiàn)系統(tǒng)的行為的仿真器可以幫助例如學(xué)生更容易地理解、學(xué)習(xí)并且可能發(fā)展對電磁系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的物理過程的直觀感覺。

1.0電學(xué)和磁學(xué)的基本單位

圖1a至圖1k描繪了電學(xué)的基本單位、磁學(xué)的基本單位、它們創(chuàng)建的力以及它們對這些力的響應(yīng)。盡管對圖1a-圖1k的討論在本質(zhì)上是對基本的、公知的物理學(xué)的概述，但它也可以用作對由前述仿真器執(zhí)行的基礎(chǔ)計(jì)算的介紹，下面將對其進(jìn)行更全面的描述。可以被仿真的物理布置包括例如自由空間或其他二維空間或三維空間；和/或具有一個(gè)或多個(gè)電子組件的電子電路結(jié)構(gòu)，電子組件包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體(例如，電線、電線段、導(dǎo)電板等)、電容器、電感器、電阻器和/或電池。

通常，由仿真器仿真的系統(tǒng)可以包括靜止對象(例如，電線、磁體、導(dǎo)電板、電阻器、電池等)和能夠運(yùn)動(dòng)的對象。參考圖1a和圖1b，能夠運(yùn)動(dòng)的基本對象是電子點(diǎn)電荷(或“自由電荷”)，其可以被指派有正電荷或負(fù)電荷。在這里，如根據(jù)基本物理學(xué)已知的，參考圖1a，正點(diǎn)電荷從其自身球形地輻射外向(outgoing)電場，并且參考圖1b，負(fù)點(diǎn)電荷在其自身上球形地匯集/終止內(nèi)向(incoming)電場。另外地，如在圖1c中觀察到的，在存在電場的情況下，正電荷將經(jīng)受導(dǎo)致正電荷在場的方向上移動(dòng)的作用力，而負(fù)電荷將經(jīng)受導(dǎo)致負(fù)電荷在與場相反的方向上移動(dòng)的作用力。

針對由點(diǎn)電荷創(chuàng)建的電場的經(jīng)典表達(dá)式為

其中，k是涉及圍繞電荷的空間的介電常數(shù)的常數(shù)，q是點(diǎn)電荷的電荷的量級(jí)，r是距點(diǎn)電荷的徑向距離，并且是在徑向方向上的單位矢量。該表達(dá)式是矢量表達(dá)式，其中正電荷產(chǎn)生外向(正)徑向場，并且負(fù)電荷產(chǎn)生向內(nèi)/匯集(負(fù))徑向場。