Numerické modelování elektromagnetických polí se s rozvojem výpočetní techniky a neustále rostoucí výkonností počítačů stalo spolu s optimalizačními technikami nepostradatelnou složkou návrhu konstrukcí nových elektrotechnických a elektronickýchzařízení i zařízení z ostatních oblastí technické praxe. Numerické modelování je také bezesporu nedílnou součástí komplexních analýz chování časoprostorových polí, které jsou důležité pro posouzení nových požadavků na kvalitu zařízení jako je elektromagnetická kompatibilita. Složité problémy řešené v současné technické praxi nelze zvládnout ve většině případů jinými prostředky než pomocí vhodných numerických metod za použití výkonných počítačů.
intenzita
tečná ploše, proto zde /∂n Tento postup zřejmě opačný použití principu
zrcadlení, kde plocha předepsanou hodnotou odstraněna zavedením zrcadlového
obrazu. známé hraniční siločáře gradφ /∂n 0. Vystupují-li obě podmínky, mluvíme smíšené úloze.1b) symetrický koaxiální kabel, jehož pole třeba nalézt.Modelování elektromagnetických polí 23
indukce Dn2 Dn1 nebo siločáře ∂φ/∂n= Potenciál rozhraní
dielektrik bude vždy spojitý.
φ1 φ2
5. Zkráceně budeme značit úlohy
1D, 3D. pole bodového náboje nebo vodivé
nabité koule úloha sférických souřadnicích, ale kartézských. 3.
Poznamenejme ještě, pokud úloze zadán pouze potenciál hranice, nazývá úloha
Dirichletova, při zadání /∂n tj.
.
• třeba nalézt takové rozložení hustoty volného vázaného náboje elektrodách na
rozhraní mezi dielektriky σ’, které zajistí výše uvedené okrajové podmínky. Podle počtu
souřadnic rozeznáváme úlohy jedno-, dvou- trojrozměrné. Tento požadavek ekvivalentní podmínce spojitosti tečné složky vektoru E. intenzity hranici úloha nazývá Neumannova.
První postup vede řešení parciálních diferenciálních rovnic, druhý integrální rovnice. vnitřních bodech obecně nehomogenní oblasti splňuje potenciálová funkce Poissonovu
nebo Laplaceovu rovnici
div gradε −
2. Rozměr
úlohy lze ovlivnit vhodnou volbou souřadnic.
Úlohy mohou významně zjednodušit, vykazují-li geometrickou symetrii.
Okrajovou podmínkou zde hranici S1, S2, S4. Toto třídění důležité zejména
v numerických úlohách, nichž některé jsou vhodné pro řešení vnitřních vnějších úloh, jiné
pouze řešení úloh vnitřních. Skutečné okrajové
podmínky mohou být obecně složitější, neboť mohou zahrnovat kombinace potenciálu,
normálové derivace potenciálu, ale jejich integrály, jak uvidíme dále. Např. elektrodě bude mít potenciál předepsanou hodnotu φe.
Formulace elektrostatické úlohy diferenciální rovnicí
Jako příklad elektrostatického problému uvažujme úlohu podle Obr. Když
vyloučíme bodové náboje, musí hledaná potenciálová funkce splňovat podmínky, které na
základě dosavadních poznatků můžeme formulovat takto:
1.
Symetrickou úlohu lze někdy zjednodušit využitím platných okrajových podmínek. Např. 3.
3. Jako
příklad Obr. rozhraní dvou dielektrik mezi oblastmi Ω1, potenciál mění spojitě, tj. Tak tomu
v případě rovinné nebo rotační symetrie, kdy sníží počet proměnných. 3.1a), mluvíme vnější úloze. úloze
Neumannově jednoznačně určen potenciál jen tehdy, jestliže části hranice určen i
potenciál. 3.
4.1a).1b), mluvíme vnitřní úloze; počítáme-li pole neomezené oblasti, jak
je tomu Obr. potenciální pole dvouvodičového vedení rovinná, tj.
Vnitřní vnější úloha
Při výpočtu pole uvnitř oblasti, jejíž hranici jsou zadané okrajové podmínky, např. Toto třídění zavádí
v matematické fyzice, není však dostačující pro inženýrské výpočty.1c). úloha. 3.
Vzhledem symetrii problému postačí počítat pole jednom kvadrantu podle Obr. Problém
se převede problém vakua pole uvnitř oblasti vypočte Coulombova zákona.
v úloze podle Obr
