基于仿真软件的电磁场实验教学研究
Matlab和CST联合仿真在研究生实验教学的应用
246DOI:10.16660/ki.1674-098X.2010-5640-9709Matlab和CST联合仿真在研究生实验教学的应用①林铭团1* 卞立安2(1.国防科技大学电子科学学院 湖南长沙 410073;2.长沙理工大学物理与电子科学学院 湖南长沙 410114)摘 要：基于电磁领域相关实验课程的仿真教学需求，提出了多软件协同仿真的教学改革模式，充分发挥各软件的优势，克服了传统实验课仿真方式的单一性和低效率问题。
所提软件协同仿真实验以贴片天线、天线阵列和编码超材料天线为例子，利用Matlab的编程控制优势，调用CST软件进行建模，可实现大规模各向异性天线阵列的自动化建模，有效提升了复杂系统仿真建模时间。
该方法可促进学生在学习中进一步挑战复杂模型的联合仿真，有效节约时间，提升科研效率。
关键词：电磁仿真 软件协同 CST Matlab 实验教学中图分类号：TN820；G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)10(c)-0246-04Teaching Reform of Co-Simulation Based on Matlab and CSTSoftwareLIN Mingtuan 1* BIAN Li'an 2(1.College of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan Province, 410073 China; 2．School of Physical and Electronic Science, Changsha University of Scienceand Technology, Changsha, Hunan Province, 410114 China)Abstract: Based on the simulation teaching demand of electromagnetics related courses, a teaching reform mode of co-simulation of multiple software is proposed, which gives play to the advantages of each software and overcomes the low efficiency problem of the traditional simulation mode that is based on single software. For example, a co-simulation experiment with Matlab and CST software is made to design a patch antenna, antenna array and a coding metamaterial antenna. With the programming ability of Matlab and the modeling function of CST, students can easily design a large-scale anisotropic antenna array with high efficiency. The proposed method can promote students to do more complex simulation efficiently and improve their ability of research.Key Words: Electromagnetics simulation; Co-simulation; CST; Matlab; Experiment teaching①通信作者：林铭团（1989—），男，汉族，福建南安人，博士，讲师，研究方向为电磁场与微波技术。
基于电磁参数测量的电磁场仿真及验证方法研究
基于电磁参数测量的电磁场仿真及验证方法研究电磁参数测量是电磁学领域中的常见研究内容，通过测量电磁场的各种参数，可以深入了解电磁场的特性并验证理论模型的准确性。
本文旨在研究基于电磁参数测量的电磁场仿真及验证方法，以帮助读者更好地理解和应用这一领域的研究成果。
首先，电磁参数测量是实现电磁场仿真及验证的基础。
电磁场的参数包括电场强度、磁场强度、电磁场频率、功率等。
通过适当的电磁参数测量方法，可以得到准确的电磁场参数数据，为后续的仿真和验证工作提供可靠的依据。
在电磁场仿真的过程中，一种常见的方法是使用计算机仿真软件，如有限元法（Finite Element Method, FEM）或有限差分法（Finite Difference Method, FDM）进行电磁场的数值模拟。
这些方法基于数学模型，通过对电磁场方程的离散化计算，得到电磁场在空间中的分布。
仿真结果可以通过可视化技术呈现，以便直观地了解电磁场的特性。
然而，仿真结果的准确性需要通过实验验证来进一步确认。
实验验证是电磁场仿真研究的重要环节，它可以与仿真结果进行对比，并验证仿真模型的可靠性和准确性。
因此，电磁参数测量在实验验证中具有关键作用。
实践中，常用的电磁参数测量方法包括点测法和扫描测量法。
点测法是在空间中选取几个特定的测量点，利用传感器测量电磁参数，并计算得到电磁场的数值。
这种方法适用于需要详细了解特定位置电磁场特性的情况。
扫描测量法则是通过传感器在整个测量区域内移动，定期记录电磁参数，并根据测量数据绘制电磁场的分布图。
这种方法适用于需要了解整个区域内电磁场分布的情况。
在电磁参数测量过程中，选择和校准合适的传感器是关键之一。
传感器的选择应根据需要测量的电磁参数类型和范围来确定，并保证具有足够的灵敏度和精度。
此外，传感器的校准是保证测量结果准确性的重要环节，以避免由于传感器本身误差导致的测量误差。
另外，电磁参数测量还需要注意测量环境的影响。
例如，在电磁场测量中，可能存在干扰源，如其他电子设备、金属结构等，这些干扰源可能改变电磁场的分布。
基于ANSYS的电磁感应加热系统仿真与实验
实 验 方 案 将 理 论 分 析 、数 值 仿 真 和 实 验 测 量 三 者 相 结 合 ，能 够 帮 助 学 生 更 好 地 构 建 该 课 程 系 统 全 面 的 思 维 框 架 。
关 键 词 ： 电 磁 感 应 ；涡 流 ；感 应 加 热 ；工程电磁场
中 图 分 类 号 ：TM154
文 献 标 识 码 ：A
130
实验技术与管理
1 电磁感应加热原理
1831年 ，法拉第发现电磁感应定律[7]:导体回路
中感应电动势e 的大小与穿过回路的磁通随时间的变
化率成正比。当频率为/ 的交流电流流过匝数为W 的
线 圈时，感应电动势e 为
e = - N -d <f i / d t
( 1)
感应加热技术是在法拉第电磁感应定律的基础上
基 于 ANSYS的电磁感应加热系统仿真与实验
房 紫 路 ，龚 直 ，李 玉 玲 ，姚缨英 ( 浙 江 大 学 电 气 工 程 学 院 ，浙 江 杭 州 310027 )
摘 要 ：将 电 子 工 程 专 业 基 础 课 “工 程 电 磁 场 ” 中 的 电 磁 感 应 定 律 和 涡 流 理 论 与 实 际 应 用 相 结 合 ，提 出 了 基 于 电 磁
(8 )
其 中 ：c r 为材料的电导率；~ 为 角 频 率 ， ffl = 2ir/ ，/ 为
电磁炉T .作频率。
涡流的焦耳热效应表达式为
Q = I 2R i
(9)
其中：/ 为感应电流，•/?为负载电阻值，/ 为加热时间。 1.3.2 锅 具 与 线 圈 的 距 离
电磁炉的感应线圈与锅具之间放置陶瓷玻璃板与
Z eq = ^ e q + j ^ e q
应用MATLAB设计电磁场与电磁波模拟仿真实验
第39卷 第9期 高 师 理 科 学 刊 Vol. 39 No.9 2019年 9月 Journal of Science of Teachers′College and University Sep. 2019文章编号：1007-9831（2019）09-0052-04应用MATLAB设计电磁场与电磁波模拟仿真实验凌滨，郭也，刘文川（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）摘要：由于电磁场与电磁波课程在电磁波传播部分授课中的理论和概念抽象，难以理解．利用MATLAB语言编程技术，针对电磁场和电磁波传播2个方面，设计2个模拟仿真实验：均匀平面波在无界空间中的传播和设定各参数实验数据获得分界面上波形的变化．2个具体仿真实验形象地再现了均匀平面电磁波在自由空间传播状态和在2个媒介边界上的变化特征，通过实验有助于学生对电磁场和电磁波基本规律的掌握．关键词：电磁场与电磁波；MATLAB；仿真实验；均匀平面波中图分类号：O441.4 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2019.09.014Application of MATLAB to design electromagnetic field andelectromagnetic wave simulation experimentLING Bin，GUO Ye，LIU Wen-chuan（School of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）Abstract：The theoretical and conceptual abstraction of the electromagnetic field and electromagnetic wave course in the teaching of electromagnetic wave propagation is difficult to understand．Using MATLAB language programming technology，two simulation experiments were designed for electromagnetic field and electromagnetic wave propagation，the propagation of uniform plane wave in unbounded space and setting experimental data of each parameter to obtain the waveform change on the interface．Two specific simulation experiments vividly reproduced the variation characteristics of uniform plane electromagnetic waves in free space and the boundary of two media．The experiment helps students master the basic laws of electromagnetic fields and electromagnetic waves．Key words：electromagnetic field and electromagnetic wave；MATLAB；simulation experiment；uniform plane wave电磁场与电磁波作为电子信息和通信工程的专业基础课之一，通过实验课程的环节来加深对电磁场理论知识的理解，并且可以将课堂上所学到的理论知识在实验课中进行验证，加深理解[1-2]．由于目前教学过程中受到实验室的硬件环境的限制，在实验教学环节中以仿真验证为主，利用MATLAB软件对所学的理论知识进行实验，通过理论知识来指导实践．将两者相结合，可以达到提高学生发现并分析问题，利用所学知识解决问题能力的目的，进一步将所学的理论知识完善巩固，更加全面地了解电磁场与电磁波的概念[3-5]．MATLAB仿真软件的数据分析和数据计算的能力十分强大，将实验数据以图形的形式进行展示，提供了一个数据可视化的平台[6]．本文在电磁场与电磁波的实验教学中，利用MATLAB模拟了2种情况下的仿收稿日期：2019-04-10基金项目：东北林业大学教育教学研究课题项目（JG2016008）作者简介：凌滨（1962-），男，黑龙江哈尔滨人，副教授，硕士，从事电磁场与电磁波研究．E-mail：756595015@第9期 凌滨，等：应用MATLAB 设计电磁场与电磁波模拟仿真实验 53真实验，分别是自由空间和媒质空间中均匀平面电磁波传播波形的变化以及2种介质分界面上电磁波波形的变化．1 均匀平面波在真空和媒质中的传播仿真实验由麦克斯韦方程组可知，变化的电场和磁场相互作用下，产生的电磁波以光速在真空中传播；电磁波在理想介质中是横波，电场和磁场的方向与波的传播方向相互垂直，另外，电场方向与磁场方向也相互垂直[7]．理想介质中均匀平面电磁波的波动方程可以由麦克斯韦方程组推理得到220022200200E E tH H t e m e m ì¶Ñ-=ïï¶í¶ïÑ-=ï¶îu vu v uu v uu v （1） 若电场为线极化方式，且电磁波沿x 轴方向，可以得到22000022(()E H H Ex t t x x tm m e m ¶¶¶¶¶¶=-=-=¶¶¶¶¶¶ （2） 同理220022H Hx te m ¶¶=¶¶，这２个公式都属于波动方程．电场与磁场的传播速度，也就是电磁波在真空中的传播速度，即81/310m/s c =»´．由此可见，电磁波的传播速度（在真空中）与光速等值，理论数据和实验数据一致，这为光的电磁波理论提供了一个重要的理论依据．由波动方程 220022220022E E x tH H x t e m e m 춶=ïï¶¶í¶¶ï=ﶶî （3） 在真空中当平面电磁波的电场强度和磁场强度的频率和相位相同时，２个波动方程的瞬时表达式为m (,)cos()x x E z t e E t z w b =-r r（4）m (,)cos()x y E H z t e t z w b h=-r r （5） 其中：m x E 是电场强度振幅；w 是电磁波的圆频率；b 是相位常数；h 是本征阻抗．设计的仿真均匀平面波形波动见图 1．均匀平面波在导电媒质中具有传播特性：电媒质的典型特征是电导率 0s ¹；电磁波在导电媒质中传播时，由于传导电流J E s =的存在，同时还伴随着电磁能量的损耗；电磁波的传播特性与非导电介质中的传播特性有所不同[8-10]．电场E 、磁场H 瞬时值形式m (,)e cos()z x x E z t e E t z a w b -=-v r（6） m (,)e cos()z x y cEH z t e t z a w b j h -=--r r （7）在导电媒质中衰减常数a 、相位常数b 和本征阻抗c h分别为a = （8）b = （9）54 高 师 理 科 学 刊 第39卷1arctg 2e j c c s weh h === （10）通过改变介电参数e 、磁导率m 、电导率s 和波的频率w ，电磁波在传播中是不断变化的，设计的仿真实验波形变化见图2．应用仿真实验可以形象直观地看到均匀平面波的传播特征，并通过改变介质各参数来观察电磁波的波形变化特性．2 均匀平面波的传播、反射及透射的仿真实验电磁波在入射到不同媒质分界面上时，一部分波会在分界面上进行反射，一部分波会透过分界面．入射波（已知）＋反射波（未知）= 透射波（未知） （1） 0z <中，导电媒质1的参数为111s e m ，，；（2） 0z >中，导电媒质2的参数为222s e m ，，．沿x 方向极化的均匀平面波从媒质1 垂直入射到与导电媒质2 的分界平面上，电场和磁场的变化见图3． 媒质1中的入射波 1i im ()e zx E z e E g -=r r （11）1im i 1()e z y cEH z e g h -=r r （12）媒质1中的反射波1r rm ()e z x E z e E g -=r r（13） 1rm r 1()e z y cEH z e g h -=r r （14）媒质1中的合成波11im rm 1i r 12()()()e e z z y y c cE E H z H z H z e e g g h h --=+=-r r r r r H （15）111i r im rm ()()+()e e z z x x E z E z E z e E e E g g --==+r r r r r（16）其中传播常数1g 和波阻抗1c h为11211)j j s g we =- （17）11211c j s h we -==- （18） 媒质2中的透射波第9期 凌滨，等：应用MATLAB 设计电磁场与电磁波模拟仿真实验 5522tm t tm t 2()e ,()e zz x y cE E z e E H z e g g h --==r r r r （19）其中：传播常数2g 和波阻抗2c h为12222)j j s g we =- （20）12222c j s h we -=- （21） 改变各参数的数值，介质1，2为不同媒质时，设计的仿真实验波形见图4．改变各参数的数值，介质1为非导电媒质、2为导电媒质时，设计的仿真实验波形见图5．改变各参数的数值，介质1，2为相同电媒质时，设计的仿真实验波形见图6．通过该仿真实验系统操作，设定各参数实验数据，即获得分界面上波形的变化特征．对实验结果进行分析和解释，得到合理有效的结论．3 结束语本文提出了利用MATLAB 来完成电磁场与电磁波的仿真实验，通过仿真实验将理论教学有效地运用到实践教学中，能够使学生更加有效地理解所学的理论知识．电磁场与电磁波的仿真实验练习可以让学生对自己所学的知识有更深地理解，可以用更加灵活的方式掌握专业技能，并对所学专业的应用领域和前景有进一步的了解．在鼓励学生自己利用所学知识解决实际问题的同时，将书本知识与工程实践相结合，将复杂的电磁波问题简化，可以有效地提高授课效果． 参考文献：[1] 谢处方，饶克谨．电磁场与电磁波[M]．北京：高等教育出版社，2006[2] 刘亮元，贺达江．电磁场与电磁波仿真实验教学[J]．实验室研究与探索，2010，29（5）：30-32[3] 王明军．MATLAB 在电磁场与电磁波课程教学中的应用[J]．咸阳师范学院学报，2009，24（2）：89-91 [4] 郭瑜，虞致国．电磁场与电磁波仿真实验教学研究[J]．无锡职业技术学院学报，2018，17（2）：28-31[5] 杨明珊，谭凤杰，李志中，等．电磁场与电磁波实验仿真系统[J]．郑州大学学报：理学版， 2013，45（2）：64-67 [6] 乔世坤．Matlab 在通信课程中的仿真应用[M]．哈尔滨：东北林业大学出版社，2017 [7] 马冰然．电磁场与微波技术[M]．广州：华南理工大学出版社，1999[8] William Hayt，John Buck．Engineering Electromagnetics[M]．Beijing：Tsinghua University Press，2011[9] 万棣，范懿．电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计与开发[J]．电气电子教学，2017，39（4）：141-144[10]邓红涛，刘巧，田敏．利用仿真软件优化电磁场与电磁波教学[J]．电脑知识与技术，2014，10（4）：792-794。
hfss仿真 实验报告
hfss仿真实验报告
标题：HFSS仿真实验报告
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款专业的电磁场仿真软件，广泛应用于微波、射频和毫米波领域。
本文将通过HFSS仿真实验报告，介绍其
在电磁场仿真方面的应用和优势。
首先，HFSS具有强大的建模能力，可以对各种复杂结构进行精确的建模和仿真。
通过HFSS，用户可以快速准确地分析电磁场的分布、波导传输特性和天线辐射特性等。
这为工程师提供了强大的工具，帮助他们在设计阶段快速验证和优化
设计方案。
其次，HFSS具有高度的计算精度和稳定性。
在仿真过程中，HFSS能够准确地
计算电磁场的分布和传输特性，确保仿真结果的准确性和可靠性。
这对于工程
设计和产品研发来说至关重要，可以有效减少实验测试的成本和时间。
此外，HFSS还具有友好的用户界面和丰富的仿真分析功能。
用户可以通过简单直观的操作界面，快速地构建模型、设置仿真参数，并进行仿真分析和结果展示。
同时，HFSS还提供了丰富的仿真分析工具，如S参数分析、模态分析、频率扫描等，满足不同领域的仿真需求。
综上所述，HFSS作为一款专业的电磁场仿真软件，具有强大的建模能力、高度的计算精度和稳定性，以及丰富的仿真分析功能，在微波、射频和毫米波领域
有着广泛的应用前景。
相信随着科技的不断发展，HFSS将在电磁场仿真领域发挥越来越重要的作用。
电磁场仿真技术的研究与应用
电磁场仿真技术的研究与应用一、引言电磁场仿真是电磁学研究领域的重要工具，旨在通过计算机模拟电磁场的行为及其在物体中的传播方式。
该技术可用于各种应用中，如无线电通信、电力系统、辐射安全等。
本文将着重探讨电磁场仿真技术的研究现状与应用实践。
二、电磁场仿真技术的研究现状1.基本原理电磁场仿真技术的基本原理是利用电磁场方程式，通过有限元分析、边界元法等计算方法求解电磁场的分布规律。
其中最常用的是有限元方法，即将分析区域分割为多个小单元，对每个小单元进行场量的模拟计算，再将整个区域的各个小单元的结果合并得到整个区域的场量分布，从而获得电磁场的仿真结果。
2.电磁场仿真软件商用电磁场仿真软件有多种，如ANSYS Maxwell、COMSOL Multiphysics、CST Studio Suite等。
这些软件通过算法实现对电磁场的仿真，用户可以方便地通过界面进行建模、参数、材料变换、条件设定等操作，来观察电磁场的分布及其性质，提供各种数据输出和可视化结果。
三、电磁场仿真技术的应用1.无线通信系统电磁场仿真技术可应用于无线通信系统中，如GSM、CDMA、LTE 等。
在通信系统中，需要考虑信道传输损耗、多径传输等问题，仿真技术可用于验证屏蔽设备的性能，以及优化天线和发射器的设计。
2.电力系统电磁场仿真技术可用于电力系统的电磁场分布分析。
电力系统中包括了各种输电线路、变电站、变流站等高压设备，这些设备会引发电磁辐射问题。
利用仿真技术，可以准确计算电磁场分布并分析其对健康和环境的影响，以便作出最优决策。
3.辐射安全辐射安全是电磁场仿真技术的重要应用之一。
如在移动电话塔、电台、雷达站等设备附近，可能会产生辐射场强的问题。
使用仿真技术可以得到设备的辐射情况，为人员防护工作提供可靠依据，并为相关部门与企业的相关决策提供参考。
4.电磁波探测电磁场仿真技术可以模拟电磁波在介质中的传播过程，在石油勘探、地质勘察、资源调查以及水文地质等领域有广泛的应用。
hfss仿真实验报告
hfss仿真实验报告HFSS仿真实验报告引言：HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款电磁仿真软件，广泛应用于高频电磁场分析和设计。
本篇报告将介绍一次使用HFSS进行的仿真实验，并对实验结果进行分析和讨论。
实验目的：本次实验的目的是通过HFSS仿真软件，对一个电磁场问题进行模拟和分析，以验证其在理论上的正确性。
通过仿真实验，可以更好地理解电磁场的行为规律，并为实际应用提供参考依据。
实验步骤：1. 建立模型：根据实验需求，首先在HFSS中建立相应的电磁场模型。
模型的建立需要考虑几何形状、材料特性等因素，以确保仿真结果的准确性。
2. 设置边界条件：在模型建立完成后，需要设置边界条件，即模型与外界的交互方式。
边界条件的设置对于仿真结果的准确性至关重要，需要根据实际情况进行选择和调整。
3. 定义材料特性：根据实际材料的电磁特性，对模型中的材料进行定义和设置。
材料的特性包括介电常数、磁导率等参数，对于仿真结果的准确性起到重要作用。
4. 设定激励源：在模型中添加激励源，即对电磁场进行激励的源头。
激励源的设置需要考虑频率、功率等参数，以确保仿真结果与实际情况相符。
5. 运行仿真：完成上述设置后，即可运行仿真。
HFSS将根据模型和设置的参数，计算并输出电磁场的分布情况。
实验结果与分析：通过HFSS仿真软件进行实验后，我们得到了电磁场的分布情况。
根据仿真结果，我们可以对电磁场的特性进行分析和讨论。
首先，我们可以观察到电磁场的强度分布情况。
根据模型的不同特点，电磁场的强度在不同区域呈现出不同的分布规律。
通过分析电磁场的分布情况，可以更好地理解电磁场的行为规律，并为实际应用提供指导。
其次，我们可以通过仿真结果来评估不同材料对电磁场的影响。
在模型中，我们可以设置不同材料的特性参数，通过仿真实验来观察不同材料对电磁场的吸收、反射等影响。
这对于材料的选择和设计具有重要的参考价值。
基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究
基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究一、本文概述随着电子技术的飞速发展，电子设备在日常生活中的应用越来越广泛，从家用电器到通信设备，再到航空航天设备，电子设备无处不在。
然而，随着电子设备数量的增加，电磁兼容性问题也日益凸显。
电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在共同的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
在电子设备的设计和制造过程中，电磁兼容性的分析和优化至关重要。
本文主要研究基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术。
CST是一款强大的电磁仿真软件，广泛应用于电磁场分析、电磁兼容性分析、天线设计等领域。
本文首先介绍了电磁兼容性的基本概念和重要性，然后详细阐述了CST软件的基本原理和功能特点，接着重点探讨了使用CST软件进行PCB板电磁兼容仿真的方法和流程，包括模型建立、仿真设置、结果分析等步骤。
本文旨在通过深入研究基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术，为电子设备的设计和制造提供一种有效的电磁兼容性分析和优化方法。
本文也期望通过分享实际案例和经验，为同行提供参考和借鉴，共同推动电磁兼容仿真技术的发展。
二、CST软件介绍CST（Computer Simulation Technology）是一款广泛应用的电磁场仿真软件，被工程师和研究人员用于模拟和分析各种电磁兼容性问题。
CST软件具有高度的集成性和灵活性，可以精确地模拟从低频到高频，从直流到微波的电磁现象。
该软件提供了丰富的工具和算法，可以模拟复杂的电磁环境和设备，预测和优化产品的电磁兼容性。
CST软件的主要特点包括其强大的求解器，支持多种电磁场求解方法，如时域有限差分法（FDTD）、频域有限积分法（FIT）等。
这些求解器可以适应不同的仿真需求，从简单的电路分析到复杂的三维电磁场模拟。
CST软件还具有强大的后处理功能，可以将仿真结果以直观的方式呈现出来，帮助用户更好地理解和分析电磁兼容性问题。
在PCB板电磁兼容仿真方面，CST软件提供了专业的PCB板模块，可以模拟和分析PCB板上的电磁场分布、信号传输和干扰等问题。
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图 ２ 磁 悬 浮 实 验 系 统
该 实验 中所用 设 备 的参 数 如 下 ： 盘 状 线 圈 匝
数 Ｎ＝ ２ ５ ０匝 ， 内径 Ｒ １＝３ １ ｍ ｍ， 外径 Ｒ ２ ＝１ ９ ５ ｈ ｉ ｍ， 厚度 ｈ＝ １ ２ ． ５ ｍｍ， 质量 Ｍ＝ ３ ． １ ｋ ｇ ， 铝板 的
约为 ０ ． ０ ０ ６ Ｔ， 在螺 线 管长度 远 远 大 于它 的半径 的 极 限下 ， 螺线 管 中 部 中 心线 上 的磁 感 应 强 度计 算
公 式为 ： Ｂ ０ ｎ ｉ
１
检 测 和解决 一 些工 程 实际 问题 的初 步能 力 。传统
的 电磁 场 实验 存在 若 干 问题 ， 包 括 实验 内容 较少 ， 侧重简单的测量和验证 ， 不够形象直观等 ， 为 了达
第２ ８卷 第 １ 期 ２ ０ １ ５年 ２月
大
学
物
理
实
验
Ｖ０ １ ． ２ ８ Ｎ０ ． １ Ｆｅ ｂ ． ２ ０１ ５
Ｐ ＨＹＳ Ｉ Ｃ ＡＬ ＥＸ ＰＥ ＲＩ ＭＥ ＮＴ ０Ｆ Ｃ ０Ｉ 上Ｅ ＧＥ
文章编号 ： １ ０ ０ ７ － ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ １ － ０ ０ ７ ９ － ０ ３
到 更好 的实 验 效 果 ， 同时 提 高 学 生分 析 电磁 场 问
（ １ ）
在 螺线 管 的 口上 ， 即： ｚ＝±Ｌ处 ， Ｂ 一 — ０ ｎ ｉ
厶
题 的综合能力 ， 仿真软件在实验教学中的应用 可
起 到重 要 作 用 。Ｃ Ｏ ＭＳ Ｏ Ｌ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ是基 于
解， 形象直观地表 现了 电场或磁场 的分 布情况 ， 同时验证 了与理论 计算结 果 的一 致性 ， 使学 生对 电磁场 的理论从抽象 的理解 到感性认识 ， 对 工程实际 问题产生形象 思维。 关 键 词： 电磁场 ； 实验 ； 仿 真
文献标志码 ： Ａ １ ３ ＯＩ ： １ ０ ． １ ４ １ ３ ９ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｃ ｎ ２ ２ — １ ２ ２ ８ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ． ０ ２ ６ 中图分类号 ： ０ ４ － ３ ９
厚度 为 １ ４ ｍｍ， 自耦 变压 器量 程 电压 ０～１ ０ ０ Ｖ， 电
流 ０～３ ０ Ａ， 电源 为 ２ ２ ０ Ｖ， ５ ０ Ｈ ｚ的交 流 电源 。扁
平 盘状 线 圈 的激 磁 电 流 由 自耦 变 压 器 提 供 ， 盘 状
线 罔 放在 锅板 上 ， 当线 圈 中的 正 弦 交 变 电 流增 大 到某 一值 时 ， 由于铝 板 中产 生 的 感 应 涡 流 的去 磁
轴 为对 称轴 ， 如图 １ 所示 ， 要 求 测量并 计 算轴 线上
的磁感应强度 。在该实验 中采用的螺线管模
型 为长 度 为 ２ ８ ｃ ｍ， 平 均半 径 ２ ｃ ｍ， 导线 ２ ８ ０ ０匝 ，
图 １ 螺 线管模型
收稿 日期 ： ２ ０ １ ４ － ０ ９ — １ ６
基 于仿 真软 件 的 电 磁 场 实 验 教 学 研 究
１ ． ２ 磁 悬浮 实验
值 和理 论 值 相 符 。 直 观地 证 明 了 实验 结 果 和
理 论结 果 的正 确性 。
ｓ ￣ ｒ ｃ ｔ ｃ ｌ ： Ｈ● ｇ ｎ ｔ ａ ｘ 时ｎ ｏ ｒ ｍｌ Ｔ ｌ
磁 悬浮 实验 系统 如 图 ２所 示 ， 要求 计算 盘
பைடு நூலகம்
图 ４ 磁 通 密 度 线 分 布
１ 实 验 内容举例
通 电有 限长密 绕 螺线管 磁 场测 量实 验 和磁悬 浮 实验 是 电磁 场 的 两个 经典 实验 ， 我 们 将测 量 研
根据公式（ ２ ） 计算得到螺线管端 口处的磁感
应 强度 为 ：
１
Ｂ
０ ｎ ｉ＝ ６ ． ２ ８ ×１ ０ Ｔ
可见 ， 理论值 与 实验测 量 值近 似相 等 。
基 于 仿 真 软 件 的 电 磁 场 实 验 教 学 研 究
王 慧娟 ， 李慧奇
（ 华北电力大学 ， 河北 保定 ０ ７ １ ０ ０ ３ ）
摘
要： 应用 电磁场 的仿 真软件 Ｃ Ｏ ＭＳ Ｏ Ｌ ｍｕ ｈ ｉ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ 对两个 实验项 目建模 并仿 真 ， 得 到三维 立体
状线 圈 所受 的 电磁 力 ， 以及 所 加 电流 与 悬 浮 高 度
的关 系 。
一
０ ． １
（ ａ １ 磁 悬 浮 系 缆 小 憩
匝
Ⅱ ＿ 三 三 匹 匕 ＝ Ⅱ 三 三 Ⅲ 皿
ｌ
ｆ Ｉ １ ） 艋状 线 圈 截［ ｆ ｉ ｉ 网
图 ３ 螺 线 管 磁 感 应 强 度 三 维 剖 面 图
（ ２ ）
有 限元法的多物理场 的一款大型数值 仿真软件 ， 其 中的 Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ模块 是 电磁 场模 块 ， 可 以模拟 准静
态 电磁 场 的相 关物 理 问题 。
因此根据公式 （ １ ） 计算得到该螺线管 内部的
磁感 应 强度 为 ：
１ ．
Ｂ 一
厶
０ ｎ ｉ： ６ ． ２ ８ ×１ ０ Ｔ
电磁场 实验 不 仅 是 对 基 本 理 论 的 验 证 ， 也 是 对 学生 在 电磁 场 实 验技 能方 面 的基 本 训 练 ， 更 为
重 要 的是培 养 学生 用 “ 场” 的观 点 和 方 法来 分 析 、
所通 电流为直 流 １ Ａ， 该实验利用霍尔效应 ， 测 得 螺线 管 中部 区域 磁感 应强 度 约 为 ０ ． ０ １ ２ Ｔ， 端 口处
究 与 软件仿 真两 种 方 式 相 结 合 ， 并 让 学 生 比较 两
种方式 得 到 的 实验 结 果 。下 面分 别 分 析 两个
实验 。
１ ． １ 通 电螺 线管磁 场 实验
通 电螺 线 管实 验模 型 为一个 轴 向长 度 为 ２ Ｌ ， 半径为 ａ ， 单 位 长 度 匝 数 为 ｎ的 螺 线 管 截 面 图 ， ｚ