2016年度《电磁场与电磁波》仿真实验

1、* *电磁场与电磁波仿真实验2016 年 11 月电磁场与电磁波仿真实验介绍电磁场与电磁波课程属于电子信息工程专业基础课之一，仿真实验主要目的在于使学生更加深刻的理解电磁场理论的基本数学分析过程，通过仿真环节将课程中所学习到的理论加以应用。受目前实验室设备条件的限制，目前主要利 用* *MATLAB仿真软件进行，通过仿真将理论分析与实际编程仿真相结合， 以理 论指导实践，提高学生的分析问题、解决问题等能力以及通过有目的的选择完成 实验或示教项目，使学生进一步巩固理论基本知识， 建立电磁场与电磁波理论完 整的概念。本课程仿真实验包含五个内容:一、电磁场仿真软件Matlab的使用入门二、单电荷的场

2、分布三、点电荷电场线的图像四、线电荷产生的电位五、有限差分法处理电磁场问题* *目录一、电磁场仿真软件 一一Matlab的使用入门.：. 4二、单电荷的场分布.10.三、点 电 荷 电 场 线 的 图像.12.四、线电荷产生的电位.:. 14五、有 限 差 分 法 处 理 电 磁场问题.17* *实验一电磁场仿真软件- Matlab 的使用入门一、实验目的1.掌握Matlab仿真的基本流程与步骤；2.掌握Matlab中帮助命令的使用。二、实验原理（一）MATLAB运算1.算术运算（1）基本算术运算MATLAB的基本算术运算有：+（加）、（减）、*（乘）、/（右除）、（左除）、A（乘方）。注意，

3、运算是在矩阵意义下进行的，单个数据的算术运算只是一种特例。（2）点运算在MATLAB中，有一种特殊的运算，因为其运算符是在有关算术运算符前面加点，所以叫点运算。点运算符有.*、/、和.A。两矩阵进行点运算是指它们 的对应元素进行相关运算，要求两矩阵的维参数相同 例1:用简短命令计算并绘制在0总毛范围内的sin(2x)、sinx2、sin2x。* *程序：x=linspace(0,6)y1=si n(2*x),y2=si n(x42),y3=(si n(x)42;plot(x,y1,x, y2,x, y3)(二)几个绘图命令1. doc命令：显示在线帮助主题调用格式：doc函数名例如：doc p

4、lot，则调用在线帮助，显示plot函数的使用方法。2. plot函数：用来绘制线形图形plot(y),当y是实向量时，以该向量元素的下标为横坐标，元素值为纵坐标画出 一条连续曲线，这实际上是绘制折线图。plot(x,y),其中x和y为长度相同的向量，分别用于存储x坐标和y坐标数据。plot(x,y,s)con tour函数：用来绘制等高线图形ezplot函数:对于显式函数f=f(x),在默认范围-2nx2冗上绘制函数f(x)的图 形；对于隐式函数f=f(x,y)，在默认的平面区域-2nx2n, -2ny2冗上绘制 函数f(x,y)的图形。3具有两个纵坐标标度的图形在MATLAB中，如果需要绘

5、制出具有不同纵坐标标度的两个图形，可以使用plotyy绘图函数。调用格式为：plotyy(x1,y1,x2,y2)其中x1,y1对应一条曲线，x2,y2对应另* *一条曲线。横坐标的标度相同，纵坐标 有两个，左纵坐标用于x1,y1数据对，右纵坐标用于x2,y2数据对。4.三维曲线plot3函数与plot函数用法十分相似，其调用格式为：plot3(x1,y1,z1,选项1,x2,y2,z2,选项2,xn,yn,zn,选项n)其中每一组x,y,z组成一组曲线的坐标参数，选项的定义和plot函数相同。当x,y,z是同维向量时，贝U x,y,z对应元素构成一条三维曲线。当x,y,z是同维矩阵 时，则以

6、x,y,z对应列元素绘制三维曲线，曲线条数等于矩阵列数。5.legend命令：为绘制的图形加上图例调用格式：lege nd(stri ng1,stri ng2,.)例如：legend(电信161班,学号：05401111,张三,Location,best);6. xlabel命令：给X轴加标题调用格式：xlabel(string)例如：xlabel(x);三、实验内容1.在命令窗口中运行一个加法程序；2.在命令窗口中练习帮助命令(doc命令)的使用。3.建立第一个M文件，并运行，观察并保存运行结果。四、实验步骤1.在命令窗口中运行一个加法程序(1)点击桌面上matlab7.0快捷方式图标，如图

7、1.1所示，启动该软件* *MATLAE 7. 0图1.1 matlab7.0快捷方式图标(2)在打开的界面右方，是命令窗口(Comma nd Win dows),如图1.2所示，在闪动光标处可以写入命令;To get 5ta-tedFselect MMI.AH ftelp or UeDE ftoti the Help iiiefiLLTtie eleaient type narae ulist be termiruited by the natehing end-tagiwtfile: d:H11 ab7 tool boat ccs 1 i mt ecij 11 nk i n hx x如悼d

8、emo J nd ddiio pl of clc图1.2 Matlab的命令窗口(3)在光标处写入如图1.3所示的命令(注意：前两个语句后面有分号,最后一个语句没有分号)；按回车键，则得到运行结果为50，如图1.4所示| ；.山卜II : H臺直CT足I-gi.血-ldj唇如囚KFdEar厲*011 .* I吊FrtllHZDrC-11-25 I5OT-3D1 JhUHr_irrftf_riSieIMh-.wKtableKlAtHl血mo=2 ttrill liiur叶Ihlr EShrink J血j J12=10=27 +2:11* *图1.3在命令窗口输入命令图1.4按回车键执行命令得到正

9、确运行结果2.在命令窗口中练习帮助命令（doc命令）的使用在命令窗口光标处输入命令：doc plot;回车，则进入在线帮助文件，显示plot命令的使用方法页面，如图1.5所示* *图1.5 plot命令的在线帮助页面3.建立第一个M文件，并运行，观察并保存运行结果(1)点击图标，如图1.6中红色圆圈所示，即创建了一个新的M文件，如图1.7所示图1.6红色圆圈的图标用于创建新的M文件* *图1.7创建的空白M文件(2)在空白M文件中输入“二、实验原理”例子的程序，保存，运行，得到运行结果如图1.8所示。要求：在E盘建立新文件夹，命名为Fiele_Wave_simulation_2012_10_2

10、7；将M文件保存在Fiele_Wave_simulation_2012_10_27目录下，命名为Exp_1.m；特别说明两点：a. M文件名及保存的路径名均应为英文，否则运行出错；b.程序中的所有字符均应为英文状态下输入，特别注意单引号，逗号，空格, 这些细节会导致运行报错，又极难发现* *1 EditorVkm.MiiuljLliiOB 2心】2_0-27YEap_lL *FiL g Ecr .1 y=ftlot C - inhIt 2*pi 1 ;*计SfO2*pi 1 siniftlSSi2 - xl yll = rp)ot ti-4）f乩余的V（hk- 0-7tj和h邳箱麻循环“S：设

11、置一个值，为毘小荊度.这里设为chn=f.OJ ExxAl, y, ZExxAl, y, zEyx,yAl,zEyx,yAl,zV xAl,yV xAl,yV x,yxAV xAl,yV x,yVxAl,yxAlV x,yAV x,yAV x,yyAlV x, yAlV x,yV x, yAyA(5.3)V x,y1V xAl, y V xAl,y V x, yAl4V x,y总之，P点的电位值等于P点周围点的电位值的平均值，前提是Al(5.4)Al非常小。* *9=设置个变応，初值为0这里设为deira=O 10. k开始循环，从2到代卯f几lbJ开始循环，从2到I.（就足内场 的点.不包含

12、边界）12：说宜一个变仍厂喰（人町仗Z等于：IM）+旳+叩-叶（川4-i）+r（/.i-i）诜雹个变堆乩便之悸于门甘）如畑阳如則把的惟賦幽血加M：靶二（M）的佰賦给以前的、仙.15结求从的循环。16i如黑血也的值人F脂面谁賈的粉度血,则 全少石个网搐上的点两视计算之间的耒價人 于所设的帮度*则程序从霸10步幵始璽新i|算 宜刻deft自仙皤小fxha为止口17；输出网挤上点的电伍值.U瑕序姑束.3.参考程序计算场点电压值程序如下:m=12for k=1:mfor j=1:mif k=1V(j,k)=1;elseif(j=1)|(j=m)|(k=m)V(j,k)=0;elseV(j,k)=0.5

13、;endend* *endcha=0.01;delta=0;n=0;while(1)n=n+1;for k=2:m-1for j=2:m-1Vn ew(j,k)=1/4*(V(j+1,k)+V(j-1,k)+V(j,k+1)+V(j,k-1);d=abs(V new(j,k)-V(j,k)/V(j,k);if ddeltadelta=d;endV(j,k)=V new(j,k);endendif deltavchabreak;endif(n 100)break;end* *delta=0.;end代入m=22绘图程序：k=1:m;j=1:m;DX,DY = gradie nt(V,.4,.4);hold onquiver(k,j,DX,DY,2)hold offk=1:m;j=1:m;DX,DY=gradie nt(V,.4,.4)A=(DX.A2+DY.A2).A0.5;DA,DB=gradie nt(A,.4,.4);hold onquiver(k,j,DA,DB,2)hold off* *3.程序参考运行结果电场图和电力线图分别如图5.2、图5.3所示图5.2电场线的图像* *图5.3电力线的图像三、实验内容有限差分法绘制带电长圆柱体的电位和电力线图像。四、实验步骤1.在E盘建立新文件夹，命名为Fiele_Wave_simu