利用Matlab模擬矩形恒定電流線圈的磁場分布

孫海倍

摘 要：隨著計算機科學的發(fā)展，計算機仿真模擬無論在科學研究還是工業(yè)設(shè)計中已經(jīng)成為一種不可或缺的實驗手段。本文利用Matlab軟件數(shù)值模擬了一個通有恒定電流的矩形電流線圈在空間中產(chǎn)生的磁感應強度分布，并討論了磁場的均勻性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：計算機仿真；Matlab；矩形線圈；磁場

一、計算機仿真的發(fā)展與應用

近幾年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機仿真模擬已經(jīng)滲透到了包括城市規(guī)劃、工業(yè)設(shè)計、科學研究以及金融交易中的每一環(huán)節(jié)。[1]交通擁堵一個一直以來困擾著人們，它極大地影響了人們的生活和出行效率。而現(xiàn)在許多城市已經(jīng)建立了智能的城市交通控制系統(tǒng)，它利用道路上的各個檢測采集系統(tǒng)收集道路、交叉口上的車流量和擁堵信息，利用計算機程序?qū)崟r地計算、分析，通過調(diào)節(jié)各個路口處的交通信號燈時間長度，獲得最佳的控制方案、最大限度地保證城市交通的流暢和通行效率。計算機仿真可以在工業(yè)制造中，[2]工程師已經(jīng)可以利用計算機程序結(jié)合系統(tǒng)地計算方法（如有限元、有限體積等）來建立工業(yè)制品的三維結(jié)構(gòu)圖，再過賦予其材質(zhì)參數(shù)，從而分析部件的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)等各種物理特性，同時可以模擬部件在不同環(huán)境條件下的受力載荷和工作狀態(tài)，不僅可以有效地分析、評估執(zhí)產(chǎn)品的可靠性和實用性，同時也降低了應為頻繁進行實驗帶來的巨大成本開銷。在控制調(diào)度領(lǐng)域中[3]（如公交系統(tǒng)、生產(chǎn)線、應急救災系統(tǒng)等），我們可以利用程序算法可以實現(xiàn)資源系統(tǒng)的實時調(diào)度、預測維護、以及監(jiān)控控制等過程，進一步提高我們對復雜系統(tǒng)的控制響應速度和調(diào)度效率。而在電器控制領(lǐng)域[4]，我們可以利用計算機程序和算法實現(xiàn)有效的電機實時控制，以提高能源的利用效率。可以看到，當前計算機仿真已經(jīng)融入到了科學研究和工業(yè)制造設(shè)計中的每一個領(lǐng)域，它正在漸成為當代科學研究中不可或缺的方法。

MATLAB是美國Mathworks開發(fā)的一款商業(yè)的高性能數(shù)值計算軟件。[5]它有高效的數(shù)值分析能力，并提供了非常完備的圖形處理工具。目前，Matlab應用已經(jīng)擴展到了幾乎絕大部分的工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領(lǐng)域，成為一個多功能科研軟件工具。

作為數(shù)值仿真的一個應用實例，本文通過利用MATLAB軟件，數(shù)值模擬一個通有恒定電流的矩形線圈在空間中產(chǎn)生的磁場（磁感應強度）。并分析了這一磁場在空間中的分布特點。

四、結(jié)論

我們利用Matlab軟件模擬了一個通電矩形線圈周圍產(chǎn)生的磁感應強度分布，并討論了數(shù)值上的離散對場點磁感應強度計算的誤差和收斂問題。通過計算空間中各點的磁感應強度矢量，我們定量地分析了矩形線圈周圍磁場的均勻性問題，并發(fā)現(xiàn)如果保持線圈周長不變，在臨邊相等時能夠產(chǎn)生最大范圍的均勻磁場。對于更為復雜的電流回路周圍的磁場仿真模擬可以依照類似的方法進行。我們相信，隨著今后計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真模擬在科學研究、工業(yè)制造等各個領(lǐng)域?qū)⒕哂胁豢晒懒康膽们熬啊?/p>

參考文獻：

[1]高云紅.計算機仿真技術(shù)及其應用[J].軟件，2013，34（11）：111+128.

[2]曹傳根，周渝生，葉正才，顧祥林，夏勇.計算機仿真技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用[J].寶鋼技術(shù)，1998（03）：55-58.

[3]胡命杰.談計算機仿真技術(shù)的新發(fā)展[J].信息安全與技術(shù)，2015，6（02）：3-4+9.

[4]張同敏.淺談計算機在金融行業(yè)中的應用[J].信息化建設(shè)，2015（09）：346.

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