matlab在电磁学中的应用
随着现代科学的不断发展，物理学在生活制造已经工业中的应用前景已经非常的广泛了。物理学是高等理工学院学生必修的一门基础课程，包含了力学、热学、光学、电磁学和近代物理等方面的知识，其中电磁学是大学物理学课程中重要的组成部分，因该课程要求学习者具备一定的高等数学基础知识和普通物理学基础知识[1]。在电磁学学习过程中出现的众多矢量微积分使得计算相对繁琐，且电场的分布不能被直接观察，导致诸多物理概念不易被学生理解。若依照传统的教学方式，学生难以在规定的教学计划内很好地掌握该课程的知识内容。MATLAB作为一种具有高性能的数值计算和可视化功能的软件，集数值分析、矩阵运算、信号处理、图形处理和系统仿真等多功能于一体。在大学物理学改革的背景下，MATLAB给电磁学的教学带来了极大的方便。鉴于此，本文应用MATLAB编程对相关物理知识例如静电场和稳恒磁场进行计算和绘图，化抽象的概念为直观的数据和清晰的图像，帮助学生更好地理解电磁场的存在与分布情况，为电磁学的教学提供了很大的方便。关键词 电磁学，MATLAB ，静电场 ，稳恒磁场，仿真目录
第一章 绪论 1
1.1 MATLAB在电磁学中应用的研究背景及现状 1
1.2电磁学实验仿真研究的意义 1
1.3MATLAB用于计算机仿真的优势 1
第二章 MATLAB用于电磁学仿真的基本理论 2
2.1二维绘图的绘制 2
2.2绘图修饰与图形控制 2
2.3三维图形的绘制 3
2.4 M文件的编辑 3
第三章 基于MATLAB的静电场仿真 4
3.1静电场实验仿真的理论基础 4
3.3高斯定理的应用 9
3.3.1高斯定理求解均匀带电球面球体的电场和电势 9
第四章 基于MATLAB的稳恒磁场仿真 11
4.1磁场强度磁感应线模拟 11
4.2环路定理 13
4.3与直线电流共面的通电半圆环所受的安培力 15
4.4带电粒子在磁场中的运动 16
结论 17
致谢 18
参考文献 19
第一章 绪论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
和电势 9
第四章 基于MATLAB的稳恒磁场仿真 11
4.1磁场强度磁感应线模拟 11
4.2环路定理 13
4.3与直线电流共面的通电半圆环所受的安培力 15
4.4带电粒子在磁场中的运动 16
结论 17
致谢 18
参考文献 19
第一章 绪论
1.1 MATLAB在电磁学中应用的研究背景及现状
目前MATLAB在电磁学中的应用已经能够广泛的运用，例如2006年高翠云和汪莉丽利用MATLAB软件工具进行电磁场电磁波的辅助教学演示了电磁场中复杂的磁场磁感应。2012年吴平辉和倪小芳利用MATLAB可视化功能计算分析了电偶极子的电场分布情况，该方法将复杂的电磁场理论通过图形的方式演示出来，形象、直观，便于理解，它不仅可以激发学生的学习兴趣,而且提高了教学效果。2012年陈宗文、魏秀芳、雒向东运用MATLAB演示出真空中自由电荷、几种带电导体产生的静电场场强和电势分布图。这样的例子还有很多很多这些充分说明了MATLAB在电磁学乃至整个物理学研究与教学中越来越受到关注与欢迎。
1.2电磁学实验仿真研究的意义
大学物理学是高等学校理工类专业学生必修的一门基础课，里面包含了力学、热学、光学、电磁学等方面的知识，其中电磁学是大学物理学课程中重要的组成部分，因该课程要求学习者具备一定的高等数学基础知识和普通物理学基础知识。在电磁学学习过程中出现的众多矢量微积分使得计算相对繁琐，且电场的分布不能被直接观察，导致诸多物理概念不易被学生理解。若依照传统的教学方式，学生难以在规定的教学计划内很好地掌握该课程的知识内容。MATLAB是一种具有高性能的数值计算和可视化功能的软件，集数值分析、信号处理、图形处理和系统仿真等多功能于一体。在大学物理学改革的背景下，MATLAB给电磁学的教学带来了极大的方便。鉴于此，本文应用MATLAB编程对相关物理知识进行计算和绘图，化抽象的概念为直观的数据和清晰的图像，帮助学生更好地理解电磁场的存在与分布情况，为电磁学的教学提供了很大的方便[2]。
1.3MATLAB用于计算机仿真的优势
MATLAB是一种高效的科学计算语言，它能够很高效的的将计算与可视化集成并且还能提大量的内置函数以及工具箱，从而能被广泛的运用于科学计算、控制系统、信息处理等等的领域并将这些进行分析、仿真和设计工作。其中典型的应用主要是由科学计算、采集数据、仿真、数据分析研究和可视化、科学还有工程绘图，应用开发环境。因此用MATLAB研究电磁学的应用是最有效的工具之一。
1.4本论文主要研究问题和工作
本文的主要目的就是讨论研究怎样利用MATLAB去仿真电磁学，实现电磁学的可视化，并在众多的实验基础上建立基于MATLAB的物理实验仿真系统。本文共四章，各章内容如下：
第一章：绪论，介绍了大学物理实验仿真的国内外研究现状、研究意义，并对本文仿真所用的软件MATLAB也进行了介绍。
第二章：阐述了MATLAB用于电磁学仿真的基本理论：二维绘图的绘制、图形修饰与控制 、三维图的绘制、M文件的编辑 ，这些都是作为仿真的基本应用。
第三章：利用MATLAB进行了电场强度电场线模拟、点电荷的电场模拟、无限长直线电荷模拟、等量异号点电荷和电偶极子的电场的模拟、均匀带电线段的电场的模拟以及均匀带电圆环，圆盘在轴线上的电场的模拟。利用MATLAB对高斯定理的应用进行阐述和仿真。其中包含了高斯定理求解均匀带电球面球体和球壳的电场、均匀带电球面球体和球壳的电场强度、根据圆周半径关系求解电场电势。
第四章：利用MATLAB进行了稳恒磁场的模拟。其中包含了磁场强度磁场线模拟、环路定理应用模拟、安培力模拟以及带电粒子在磁场中的运动模拟。
总结：总结本文的工作与结论，并对以后的研究做了展望。
第二章 MATLAB用于电磁学仿真的基本理论
2.1二维绘图的绘制
在MATLAB中，最基本且应用最为广泛的绘图函数为plot函数，利用它可以在二维平面上绘制出不同的曲线。Plot函数用于绘制x，y平面上的线性坐标曲线图需要提供一组x坐标及其各点对应的y坐标，这样就可以绘制出分别以x,y为横纵坐标的二维曲线。当我们在同一个窗口绘制很多条曲线的时候，MATLAB会自动用不同的颜色将每一条图形显示出来。另外，MALAB还提供了PLOTTY(X,Y)函数，运用该函数可以来绘制曲线。但是可以区别的是该命令语句绘制出来的曲线坐标轴的两边都会有说明，而且该函数允许幅值差比较大的两条函数的曲线在同一窗口显示并且将它们绘制出来，这样也不会影响绘图的视觉效果。MATLAB软件内提供了一些基本的画图选项并且这里面的选项也包括了颜色控制符，线型控制符，数据点标记字符。对于不同的选项的话我们可以把它们连起来使用。[3]
2.2绘图修饰与图形控制
在绘制图形时，MATLAB可以自动根据要绘制曲线的范围选择合适的坐标刻度，使得曲线能够尽可能清晰的显示出来。所以在一般情况下用户不必选择坐标轴的刻度范围。但是如果用户对坐标系不满意，可利用axis函数对其重新设定。一般情况下，每执行一次绘图命令，就刷新一次当前图形窗口，图形窗口原有图形将不复存在，若希望在已经存在的图形上再继续添加新的图形，可使用图形保持命令hold。H
第一章 绪论 1
1.1 MATLAB在电磁学中应用的研究背景及现状 1
1.2电磁学实验仿真研究的意义 1
1.3MATLAB用于计算机仿真的优势 1
第二章 MATLAB用于电磁学仿真的基本理论 2
2.1二维绘图的绘制 2
2.2绘图修饰与图形控制 2
2.3三维图形的绘制 3
2.4 M文件的编辑 3
第三章 基于MATLAB的静电场仿真 4
3.1静电场实验仿真的理论基础 4
3.3高斯定理的应用 9
3.3.1高斯定理求解均匀带电球面球体的电场和电势 9
第四章 基于MATLAB的稳恒磁场仿真 11
4.1磁场强度磁感应线模拟 11
4.2环路定理 13
4.3与直线电流共面的通电半圆环所受的安培力 15
4.4带电粒子在磁场中的运动 16
结论 17
致谢 18
参考文献 19
第一章 绪论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
和电势 9
第四章 基于MATLAB的稳恒磁场仿真 11
4.1磁场强度磁感应线模拟 11
4.2环路定理 13
4.3与直线电流共面的通电半圆环所受的安培力 15
4.4带电粒子在磁场中的运动 16
结论 17
致谢 18
参考文献 19
第一章 绪论
1.1 MATLAB在电磁学中应用的研究背景及现状
目前MATLAB在电磁学中的应用已经能够广泛的运用，例如2006年高翠云和汪莉丽利用MATLAB软件工具进行电磁场电磁波的辅助教学演示了电磁场中复杂的磁场磁感应。2012年吴平辉和倪小芳利用MATLAB可视化功能计算分析了电偶极子的电场分布情况，该方法将复杂的电磁场理论通过图形的方式演示出来，形象、直观，便于理解，它不仅可以激发学生的学习兴趣,而且提高了教学效果。2012年陈宗文、魏秀芳、雒向东运用MATLAB演示出真空中自由电荷、几种带电导体产生的静电场场强和电势分布图。这样的例子还有很多很多这些充分说明了MATLAB在电磁学乃至整个物理学研究与教学中越来越受到关注与欢迎。
1.2电磁学实验仿真研究的意义
大学物理学是高等学校理工类专业学生必修的一门基础课，里面包含了力学、热学、光学、电磁学等方面的知识，其中电磁学是大学物理学课程中重要的组成部分，因该课程要求学习者具备一定的高等数学基础知识和普通物理学基础知识。在电磁学学习过程中出现的众多矢量微积分使得计算相对繁琐，且电场的分布不能被直接观察，导致诸多物理概念不易被学生理解。若依照传统的教学方式，学生难以在规定的教学计划内很好地掌握该课程的知识内容。MATLAB是一种具有高性能的数值计算和可视化功能的软件，集数值分析、信号处理、图形处理和系统仿真等多功能于一体。在大学物理学改革的背景下，MATLAB给电磁学的教学带来了极大的方便。鉴于此，本文应用MATLAB编程对相关物理知识进行计算和绘图，化抽象的概念为直观的数据和清晰的图像，帮助学生更好地理解电磁场的存在与分布情况，为电磁学的教学提供了很大的方便[2]。
1.3MATLAB用于计算机仿真的优势
MATLAB是一种高效的科学计算语言，它能够很高效的的将计算与可视化集成并且还能提大量的内置函数以及工具箱，从而能被广泛的运用于科学计算、控制系统、信息处理等等的领域并将这些进行分析、仿真和设计工作。其中典型的应用主要是由科学计算、采集数据、仿真、数据分析研究和可视化、科学还有工程绘图，应用开发环境。因此用MATLAB研究电磁学的应用是最有效的工具之一。
1.4本论文主要研究问题和工作
本文的主要目的就是讨论研究怎样利用MATLAB去仿真电磁学，实现电磁学的可视化，并在众多的实验基础上建立基于MATLAB的物理实验仿真系统。本文共四章，各章内容如下：
第一章：绪论，介绍了大学物理实验仿真的国内外研究现状、研究意义，并对本文仿真所用的软件MATLAB也进行了介绍。
第二章：阐述了MATLAB用于电磁学仿真的基本理论：二维绘图的绘制、图形修饰与控制 、三维图的绘制、M文件的编辑 ，这些都是作为仿真的基本应用。
第三章：利用MATLAB进行了电场强度电场线模拟、点电荷的电场模拟、无限长直线电荷模拟、等量异号点电荷和电偶极子的电场的模拟、均匀带电线段的电场的模拟以及均匀带电圆环，圆盘在轴线上的电场的模拟。利用MATLAB对高斯定理的应用进行阐述和仿真。其中包含了高斯定理求解均匀带电球面球体和球壳的电场、均匀带电球面球体和球壳的电场强度、根据圆周半径关系求解电场电势。
第四章：利用MATLAB进行了稳恒磁场的模拟。其中包含了磁场强度磁场线模拟、环路定理应用模拟、安培力模拟以及带电粒子在磁场中的运动模拟。
总结：总结本文的工作与结论，并对以后的研究做了展望。
第二章 MATLAB用于电磁学仿真的基本理论
2.1二维绘图的绘制
在MATLAB中，最基本且应用最为广泛的绘图函数为plot函数，利用它可以在二维平面上绘制出不同的曲线。Plot函数用于绘制x，y平面上的线性坐标曲线图需要提供一组x坐标及其各点对应的y坐标，这样就可以绘制出分别以x,y为横纵坐标的二维曲线。当我们在同一个窗口绘制很多条曲线的时候，MATLAB会自动用不同的颜色将每一条图形显示出来。另外，MALAB还提供了PLOTTY(X,Y)函数，运用该函数可以来绘制曲线。但是可以区别的是该命令语句绘制出来的曲线坐标轴的两边都会有说明，而且该函数允许幅值差比较大的两条函数的曲线在同一窗口显示并且将它们绘制出来，这样也不会影响绘图的视觉效果。MATLAB软件内提供了一些基本的画图选项并且这里面的选项也包括了颜色控制符，线型控制符，数据点标记字符。对于不同的选项的话我们可以把它们连起来使用。[3]
2.2绘图修饰与图形控制
在绘制图形时，MATLAB可以自动根据要绘制曲线的范围选择合适的坐标刻度，使得曲线能够尽可能清晰的显示出来。所以在一般情况下用户不必选择坐标轴的刻度范围。但是如果用户对坐标系不满意，可利用axis函数对其重新设定。一般情况下，每执行一次绘图命令，就刷新一次当前图形窗口，图形窗口原有图形将不复存在，若希望在已经存在的图形上再继续添加新的图形，可使用图形保持命令hold。H
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