2016年度《電磁場與電磁波》仿真實驗

1、* *電磁場與電磁波仿真實驗2016 年 11 月電磁場與電磁波仿真實驗介紹電磁場與電磁波課程屬于電子信息工程專業(yè)基礎(chǔ)課之一，仿真實驗主要目的在于使學生更加深刻的理解電磁場理論的基本數(shù)學分析過程，通過仿真環(huán)節(jié)將課程中所學習到的理論加以應(yīng)用。受目前實驗室設(shè)備條件的限制，目前主要利 用* *MATLAB仿真軟件進行，通過仿真將理論分析與實際編程仿真相結(jié)合， 以理 論指導實踐，提高學生的分析問題、解決問題等能力以及通過有目的的選擇完成 實驗或示教項目，使學生進一步鞏固理論基本知識， 建立電磁場與電磁波理論完 整的概念。本課程仿真實驗包含五個內(nèi)容:一、電磁場仿真軟件Matlab的使用入門二、單電荷的場

2、分布三、點電荷電場線的圖像四、線電荷產(chǎn)生的電位五、有限差分法處理電磁場問題* *目錄一、電磁場仿真軟件 一一Matlab的使用入門.：. 4二、單電荷的場分布.10.三、點 電 荷 電 場 線 的 圖像.12.四、線電荷產(chǎn)生的電位.:. 14五、有 限 差 分 法 處 理 電 磁場問題.17* *實驗一電磁場仿真軟件- Matlab 的使用入門一、實驗?zāi)康?.掌握Matlab仿真的基本流程與步驟；2.掌握Matlab中幫助命令的使用。二、實驗原理（一）MATLAB運算1.算術(shù)運算（1）基本算術(shù)運算MATLAB的基本算術(shù)運算有：+（加）、（減）、*（乘）、/（右除）、（左除）、A（乘方）。注意，

3、運算是在矩陣意義下進行的，單個數(shù)據(jù)的算術(shù)運算只是一種特例。（2）點運算在MATLAB中，有一種特殊的運算，因為其運算符是在有關(guān)算術(shù)運算符前面加點，所以叫點運算。點運算符有.*、/、和.A。兩矩陣進行點運算是指它們 的對應(yīng)元素進行相關(guān)運算，要求兩矩陣的維參數(shù)相同 例1:用簡短命令計算并繪制在0總毛范圍內(nèi)的sin(2x)、sinx2、sin2x。* *程序：x=linspace(0,6)y1=si n(2*x),y2=si n(x42),y3=(si n(x)42;plot(x,y1,x, y2,x, y3)(二)幾個繪圖命令1. doc命令：顯示在線幫助主題調(diào)用格式：doc函數(shù)名例如：doc p

4、lot，則調(diào)用在線幫助，顯示plot函數(shù)的使用方法。2. plot函數(shù)：用來繪制線形圖形plot(y),當y是實向量時，以該向量元素的下標為橫坐標，元素值為縱坐標畫出 一條連續(xù)曲線，這實際上是繪制折線圖。plot(x,y),其中x和y為長度相同的向量，分別用于存儲x坐標和y坐標數(shù)據(jù)。plot(x,y,s)con tour函數(shù)：用來繪制等高線圖形ezplot函數(shù):對于顯式函數(shù)f=f(x),在默認范圍-2nx2冗上繪制函數(shù)f(x)的圖 形；對于隱式函數(shù)f=f(x,y)，在默認的平面區(qū)域-2nx2n, -2ny2冗上繪制 函數(shù)f(x,y)的圖形。3具有兩個縱坐標標度的圖形在MATLAB中，如果需要繪

5、制出具有不同縱坐標標度的兩個圖形，可以使用plotyy繪圖函數(shù)。調(diào)用格式為：plotyy(x1,y1,x2,y2)其中x1,y1對應(yīng)一條曲線，x2,y2對應(yīng)另* *一條曲線。橫坐標的標度相同，縱坐標 有兩個，左縱坐標用于x1,y1數(shù)據(jù)對，右縱坐標用于x2,y2數(shù)據(jù)對。4.三維曲線plot3函數(shù)與plot函數(shù)用法十分相似，其調(diào)用格式為：plot3(x1,y1,z1,選項1,x2,y2,z2,選項2,xn,yn,zn,選項n)其中每一組x,y,z組成一組曲線的坐標參數(shù)，選項的定義和plot函數(shù)相同。當x,y,z是同維向量時，貝U x,y,z對應(yīng)元素構(gòu)成一條三維曲線。當x,y,z是同維矩陣 時，則以

6、x,y,z對應(yīng)列元素繪制三維曲線，曲線條數(shù)等于矩陣列數(shù)。5.legend命令：為繪制的圖形加上圖例調(diào)用格式：lege nd(stri ng1,stri ng2,.)例如：legend(電信161班,學號：05401111,張三,Location,best);6. xlabel命令：給X軸加標題調(diào)用格式：xlabel(string)例如：xlabel(x);三、實驗內(nèi)容1.在命令窗口中運行一個加法程序；2.在命令窗口中練習幫助命令(doc命令)的使用。3.建立第一個M文件，并運行，觀察并保存運行結(jié)果。四、實驗步驟1.在命令窗口中運行一個加法程序(1)點擊桌面上matlab7.0快捷方式圖標，如圖

7、1.1所示，啟動該軟件* *MATLAE 7. 0圖1.1 matlab7.0快捷方式圖標(2)在打開的界面右方，是命令窗口(Comma nd Win dows),如圖1.2所示，在閃動光標處可以寫入命令;To get 5ta-tedFselect MMI.AH ftelp or UeDE ftoti the Help iiiefiLLTtie eleaient type narae ulist be termiruited by the natehing end-tagiwtfile: d:H11 ab7 tool boat ccs 1 i mt ecij 11 nk i n hx x如悼d

8、emo J nd ddiio pl of clc圖1.2 Matlab的命令窗口(3)在光標處寫入如圖1.3所示的命令(注意：前兩個語句后面有分號,最后一個語句沒有分號)；按回車鍵，則得到運行結(jié)果為50，如圖1.4所示| ；.山卜II : H臺直CT足I-gi.血-ldj唇如囚KFdEar厲*011 .* I吊FrtllHZDrC-11-25 I5OT-3D1 JhUHr_irrftf_riSieIMh-.wKtableKlAtHl血mo=2 ttrill liiur葉Ihlr EShrink J血j J12=10=27 +2:11* *圖1.3在命令窗口輸入命令圖1.4按回車鍵執(zhí)行命令得到正

9、確運行結(jié)果2.在命令窗口中練習幫助命令（doc命令）的使用在命令窗口光標處輸入命令：doc plot;回車，則進入在線幫助文件，顯示plot命令的使用方法頁面，如圖1.5所示* *圖1.5 plot命令的在線幫助頁面3.建立第一個M文件，并運行，觀察并保存運行結(jié)果(1)點擊圖標，如圖1.6中紅色圓圈所示，即創(chuàng)建了一個新的M文件，如圖1.7所示圖1.6紅色圓圈的圖標用于創(chuàng)建新的M文件* *圖1.7創(chuàng)建的空白M文件(2)在空白M文件中輸入“二、實驗原理”例子的程序，保存，運行，得到運行結(jié)果如圖1.8所示。要求：在E盤建立新文件夾，命名為Fiele_Wave_simulation_2012_10_2

10、7；將M文件保存在Fiele_Wave_simulation_2012_10_27目錄下，命名為Exp_1.m；特別說明兩點：a. M文件名及保存的路徑名均應(yīng)為英文，否則運行出錯；b.程序中的所有字符均應(yīng)為英文狀態(tài)下輸入，特別注意單引號，逗號，空格, 這些細節(jié)會導致運行報錯，又極難發(fā)現(xiàn)* *1 EditorVkm.MiiuljLliiOB 2心】2_0-27YEap_lL *FiL g Ecr .1 y=ftlot C - inhIt 2*pi 1 ;*計SfO2*pi 1 siniftlSSi2 - xl yll = rp)ot ti-4）f乩余的V（hk- 0-7tj和h邳箱麻循環(huán)“S：設(shè)

11、置一個值，為毘小荊度.這里設(shè)為chn=f.OJ ExxAl, y, ZExxAl, y, zEyx,yAl,zEyx,yAl,zV xAl,yV xAl,yV x,yxAV xAl,yV x,yVxAl,yxAlV x,yAV x,yAV x,yyAlV x, yAlV x,yV x, yAyA(5.3)V x,y1V xAl, y V xAl,y V x, yAl4V x,y總之，P點的電位值等于P點周圍點的電位值的平均值，前提是Al(5.4)Al非常小。* *9=設(shè)置個變応，初值為0這里設(shè)為deira=O 10. k開始循環(huán)，從2到代卯f幾lbJ開始循環(huán)，從2到I.（就足內(nèi)場 的點.不包含

12、邊界）12：說宜一個變?nèi)詮S喰（人町仗Z等于：IM）+旳+叩-葉（川4-i）+r（/.i-i）詵雹個變堆乩便之悸于門甘）如畑陽如則把的惟賦幽血加M：靶二（M）的佰賦給以前的、仙.15結(jié)求從的循環(huán)。16i如黑血也的值人F脂面誰賈的粉度血,則 全少石個網(wǎng)搐上的點兩視計算之間的耒價人 于所設(shè)的幫度*則程序從霸10步幵始璽新i|算 宜刻deft自仙皤小fxha為止口17；輸出網(wǎng)擠上點的電伍值.U瑕序姑束.3.參考程序計算場點電壓值程序如下:m=12for k=1:mfor j=1:mif k=1V(j,k)=1;elseif(j=1)|(j=m)|(k=m)V(j,k)=0;elseV(j,k)=0.5

13、;endend* *endcha=0.01;delta=0;n=0;while(1)n=n+1;for k=2:m-1for j=2:m-1Vn ew(j,k)=1/4*(V(j+1,k)+V(j-1,k)+V(j,k+1)+V(j,k-1);d=abs(V new(j,k)-V(j,k)/V(j,k);if ddeltadelta=d;endV(j,k)=V new(j,k);endendif deltavchabreak;endif(n 100)break;end* *delta=0.;end代入m=22繪圖程序：k=1:m;j=1:m;DX,DY = gradie nt(V,.4,.4);hold onquiver(k,j,DX,DY,2)hold offk=1:m;j=1:m;DX,DY=gradie nt(V,.4,.4)A=(DX.A2+DY.A2).A0.5;DA,DB=gradie nt(A,.4,.4);hold onquiver(k,j,DA,DB,2)hold off* *3.程序參考運行結(jié)果電場圖和電力線圖分別如圖5.2、圖5.3所示圖5.2電場線的圖像* *圖5.3電力線的圖像三、實驗內(nèi)容有限差分法繪制帶電長圓柱體的電位和電力線圖像。四、實驗步驟1.在E盤建立新文件夾，命名為Fiele_Wave_simu