Matlab模拟平面电磁波传播

-1-Matlab模拟平面电磁波传播【摘要】电磁场的概念抽象和理论性强,将MATLAB应用到电磁场学习中,将抽象的场可视化,可以较好地改进学习效果。本文探讨了用MATLAB模拟平面电磁波的传播,，详细介绍了其数学建模过程和MATLAB程序代码。【关键词】电磁波；Matlab；仿真1引言MATLAB（矩阵实验室）是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国TheMathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C,C++,Java,Python和FORTRAN）编写的程序。MATLAB广泛应用于汽车主动安全系统、行星际宇宙飞船、健康监控设备、智能电网和LTE蜂窝网络。它也可以用于机器学习、信号处理、图像处理、计算机视觉、通讯、计算金融学、控制设计、机器人学等等。使用Matlab可以快速解决学习中出现的计算问题，大幅提高学习效率。2应用实例2.1Matlab在电磁学中的应用电磁场的理论和方法在现代工程技术中得到了广泛应用。静电场、静磁场是普通物理电磁学中最基本和最重要的内容。对工科学生来说，只有学好这部分内容才能理解电磁场理论的基本概念和基本定理，为深入学习电磁技术打下扎实的基础。场是自然界最基本的物质形态之一，它不同于实物粒子的一个重要特征是它弥漫在整个空间，描述场的物理量是空间的分布。但目前普通物理教材所涉及问题的结果大多是通过解析方法得到的，而解析方法只能给出电磁场量在一些特殊位置，如某一特殊点或某一特殊直线上的分布。这些结果制约了学生对电磁场整体和直观的认识，妨碍了学生对概念和定理的理解，所以直观和形象地给出场量的二维或三维空间分布是十分必要的。本文以平面电磁波在空间中的传播为例，利用Matlab软件，用数值方法计算了电磁波传播，并利用Matlab的绘图功能给出其平面电磁波传播示意图。2.2用Matlab模拟平面电磁波的传播设电磁波沿x轴方向传播，在与x轴垂直的平面上，其电磁场强度各点具有相同的振幅和振动方向，即E和H-2-只与x有关，而与y和z无关，这种电磁波就是均匀平面电磁波。假设电磁波沿着X轴正向传播，电场具有Z方向的分量Ez，磁场具有Y方向上的分量Hy。由于程序中的电场分量与磁场分量均与两个参数-时间和坐标有关，因此为了使两个参数的变化对电磁场分量值的影响产生明显改变，将时间的单位设为纳秒。反映电磁场性质的其他参数均设为常数，即自由空间中的值。自由空间中的磁导率𝜇0=4𝜋×10−7V·s/(A·m)自由空间中的电介质常数𝐸0=1×10−936𝜋F/m自由空间中的波阻抗𝑍0=(𝜇0𝐸0)12Ω电磁波的频率f=1×108Hz3总结“电磁场与电磁波”是物理专业本科生必修的一门专业基础课，课程涵盖的内容是物理基础知识的重要组成部分。在学习过程中，普遍反映该门课程比较抽象，包含了大量的数学公式推导，很多概念难以理解。无论是电磁场还是电磁波，都是看不到、摸不着的，教师难讲、学生难懂是当前该门课程教学中普遍存在的现象。本文介绍了用Matlab描绘平面电磁波在空间中的传播，使电磁场可视化，使学生对场物理量有了更加整体和形象的认识，电磁波的传播已经超出了学生的想象能力，使用Matlab使它更加形象化。参考文献://cn.mathworks.com/products/matlab.html[1]唐军杰等.Matlab在电磁场可视化教学中的应用.北京.中国石油大学理学院,2012[2]张霞萍.MATLAB8.X程序设计及典型应用.西安.西安电子科技大学出版社，2014.7[3]李丽芬等.基于Matlab的均匀平面电磁波的仿真。北京.现代电子技术，2013.11图1.平面电磁波传播示意图-3-Matlab代码clearcloseallu0=4*pi*1e-7;%自由空间中的磁导率e0=1e-9/(36*pi);%自由空间中的电介质常数Z0=(u0/e0)^0.5;%自由空间中的波阻抗f=1e8;%电磁波的频率w=2*pi*f;k=w*(u0*e0)^0.5;%波数phi_E=0;%初始相位设为0phi_H=0;EE=20;%电场幅度HH=EE/Z0;x=0:0.1:20;%传播方向上的采样点m0=zeros(size(x));gifname='mag_motion.gif';figurefort=0:1:100%为了消除波数与频率之间的数量级带来的影响，时间单位为nsEz=EE*cos(k*x-w*t*1e-9+phi_E);%电场强度值Hy=HH*cos(k*x-w*t*1e-9+phi_H);%磁场强度值plot3(x,m0,Ez,'b','LineWidth',2);%绘制电场传播曲线holdonplot3(x,Hy,m0,'r','LineWidth',2);%绘制磁场传播曲线holdoffxlabel('传播方向')ylabel('磁场Hy')zlabel('电场Ez')title(['平面电磁波传播示意图','t=',num2str(t),'ns'],'fontsize',14)set(gca,'fontsize',12)drawnowframe=getframe(1);%获取当前图像im=frame2im(frame);[imind,cm]=rgb2ind(im,500);%格式转换ift==0;imwrite(imind,cm,gifname,'gif');%创建一个gif文件elseimwrite(imind,cm,gifname,'gif','WriteMode','append','DelayTime',0.1);%向gif文件中添加一张图片end%endend