0

обчислювальна електромагнітіка: знайте свої інструменти, оскільки вони визначають наше майбутнє

«З довгого погляду на історію людства – якщо дивитися, скажімо, через десять тисяч років – немає ніяких сумнівів в тому, що найбільш значуща подія XIX століття буде оцінено як відкриття Максвеллом законів електродинаміки ». Ці слова, нобелівський лауреат з фізики 1965 Річард Фейнман, віддав належне науковій роботі Джеймса Клерка Максвелла.
У своїй роботі 1865 року «Динамічна теорія електромагнітного поля» Максвелл опублікував ряд рівнянь, демонструють, що магнетизм, електрику і світло є різними проявами одних і тих же фундаментальних законів. Одна тільки його наукова робота, безсумнівно, робить його одним з батьків сучасної фізики.

З часу їх поширення новаторські і виняткові відкриття Максвелла в області електромагнетизму проклали шлях до незліченних винаходів, таким як радіо, телебачення, радар, зв'язок та Інтернет, і це лише деякі з них, які назавжди змінили світ. Його інтуїція і робота ніколи не переставали виникати і формувати нові відкриття, які постійно формують кожен аспект нашого повсякденного життя.

сьогодні, коли комп'ютери стали більш ефективними в обробці великих даних та їх обробки складного алгоритму, обчислювальна електромагнетизм (CEM) відіграє життєво важливу роль в розробці і реалізації чисельних методів і методів для моделювання задач в електромагнетизмі. Крім того, потреба в поліпшеною точності, швидкості та ефективності зберігає цю область досліджень постійно оновлюється.

Проте, незважаючи на технологічні досягнення в цій галузі, вибір правильного інструменту в CEM все ще залишається «мистецтвом»; Існує розрив між знаннями і ноу-хау нинішніх практиків про різні інструменти і новітніми розробками. дійсно, існує всього декілька основних методів, домінуючих на «ринку» НДДКР. В основному це відбувається з трьох причин: простота використання, доступність різних функцій моделювання та відсутність знань або неправильних уявлень про можливості інших інструментів. У той час як перші дві є «прийнятними» причинами вибору одного інструмента над іншим, останні міркування невиправдані і відображають неправильне судження з боку практикуючих фахівців, головним чином через нестачу знань і підготовки про останні події.

отже, в спробі направити зацікавлених прикладних фізиків і інженерів в захоплюючий і тільки явно загадковий світ CEM, перспективна стаття «Чи використовуєте ви правильні інструменти в обчислювальної електромагнетіке?»Направлена ​​на з'ясування деяких помилок, обговорення обмежень і можливостей деякі з популярних інструментів моделювання електромагнетизму, і надайте кілька практичних порад, щоб користувач міг приймати обгрунтовані рішення при виборі відповідних інструментів для своїх додатків.

Вивчення останніх тенденцій і розробок в CEM допомагає у багатьох відношеннях. наприклад, передові інструменти CEM допомагають інженерам-проектувальникам прискорити процес проектування, що призводить до створення успішних прототипів, зниження витрат на пробні версії і помилки, підвищення ефективності, точного налаштування продуктивності і т. D.

моделювання – це міст між теорією і експериментом. Вибір будь-якого інструменту CEM для конкретного додатка вимагає відповідної підготовки. Деякі явища краще пояснити, дивлячись на те, як вони розвивалися протягом певного періоду часу (також відомий як моделювання в тимчасовій області), як і в разі поширення електромагнітних хвиль від рупорної антени Рис. (Б).

електромагнітні інструменти: (а) багатомасштабне моделювання для точного збору різних компонентів особливості пристрою, (б) електромагнітних хвилі моделювання поширення всередині гофрованої рупорної антени, і (с) поширенням імпульсу, як видно через простору-часу і простір частотні вікна для аналізу в тимчасовій і частотній областях, відповідно.

Іноді цікавіше бачити, наскільки явище пов'язане з певною частотою або діапазоном частот (моделювання в частотній області). Ці дві методики моделювання мають свої унікальні сильні і слабкі сторони. Потрібно навчитися розуміти і досліджувати взаємозв'язку між цими двома типами моделювання, оскільки вони допомагають розкрити різні аспекти загальної фізики, якщо дивитися з різних точок зору (см., приклад, Рис. (З))

Сучасні програми та пристрої стають все більш складними за своїми робочим механізмам, складом матеріалів та умов експлуатації. Щоб мати можливість розробляти більш компактні, надійні, ефективні і економічно ефективні продукти і додатки, необхідно розуміти взаємодію між різними фізичними явищами (мультіфізікой), працюючими в різних масштабах (багатомасштабного) одночасно в рамках однієї і тієї ж моделі.

Як приклад для багатомасштабних явищ розглянемо конструкцію штучних (мета) матеріалів з унікальними властивостями, які можуть згинати падаючу електромагнітну хвилю. Такі матеріали можуть бути використані для приховування об'єктів – відомих як маскування – від падаючих електромагнітних хвиль. Щоб спроектувати ці метаматеріали, нам необхідно просторово змінити показник заломлення всередині матеріалу, щоб змінити шляху поширення світла. У таких додатках ми вивчаємо макроскопічний контроль фізичних явищ за рахунок мікроскопічних взаємодій.

Інструменти CEM, використовувані для моделювання таких проблем, повинні бути здатні працювати в різних просторових масштабах. Крім того, багатомасштабного проекти повинні бути здатні моделювати компоненти з розмірами елементів, мінливими на кілька порядків. наприклад, в задачах моделювання високочастотної (мікрохвильової або оптичної) антени, як показано на рис. (А), у нас є певні частини моделі з розмірами сот, в 100 раз меншими, ніж в інших частинах. Вибір розмірів осередку залежить від фундаментальної фізики або фізичних явищ, які ми намагаємося охопити при моделюванні CEM. щоб точно, ефективно використовувати ресурси (час і пам'ять) і елегантно моделювати такі додатки, нам потрібні інструменти CEM з можливостями багатомасштабного моделювання.

Мультіфізіческіе можливості, з іншого боку, мають справу з різними базовими фізичними явищами, діючими одночасно всередині програми або пристрою. наприклад, при розробці деяких оптоелектронних напівпровідникових приладів ми маємо справу з моделями пов'язаних теплових електричних мереж і рівняннями переносу енергії. Кілька біомедичних застосувань включають в себе спільне взаємодія термодинамічних, термоелектричних і електромагнітних явищ.

Недавні прориви в галузі матеріалознавства та інженерії, (нано) технологій виготовлення та 3D-друку швидко вносять вклад в передові програми, які вимагають однаково просунутих інструментів CEM для швидкого і надійного моделювання та віртуального прототипирования.

Події в CEM завжди будуть в стадії розробки. Завдяки різним інструментам ми вступаємо в нові рубежі досліджень, які відкривають нові завдання і можливості кожен день. Одне можна сказати напевно: ми завжди будемо здивовані тому, як наука, яку ми знаємо сьогодні і дізнаємося завтра, завжди буде елегантно відповідати чарівним рівнянням Максвелла.

оригінал

Залишити коментар

Ваша електронна адреса не буде опублікований.