MATLAB在电磁场与电磁波课程教学中的应用

２００９年３月第２４卷第２期

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咸阳师范学院学报

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Ｍａｒ．２００９

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［高等教育教学与管理研究】

ＭＡＴＬＡＢ在电磁场与电磁波课程教学中的应用

王明军，李应乐，唐静

（咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西咸阳７１２０００）

摘要：针对电磁场与电磁波课程教学中理论性强、概念抽象等特点。利用Ｍａｔｌａｂ强大的

数值计算和图形技术．从电磁场和电磁波传播两个方面，通过具体实例进行仿真，绘制了静电场电偶极子及同轴电缆线电场线、等位线分布图．形象再现了自由空间平面电磁波和球面电磁波的空间传播传播状态，有助于学生对电磁场和电磁波基本规律的掌握。

关键词：Ｍａｄａｂ仿真：电磁场理论；电磁波传播中图分类号：０４４１．４；Ｇ４３４

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２—２９１４（２００９）０２—００８９—０３

《电磁场与电磁波》课程是电子类理工科专业必开的一门专业基础课程㈣，在教和学过程中，学生普遍反映该门课程比较抽象，很多概念难以理解。随着计算机辅助教学的发展，各种计算机仿真软件在教学中发挥着越来越重要的作用。Ｍａｔｌａｂ由于其强大的矩阵运算、数值和符号计算等强大的功能以及可视化的仿真环境Ｍ。为电磁场与电磁波课程教学提供了仿真条件。借助Ｍａｔｌａｂ模拟和实现结果的可视化【５一”，把抽象概念变为清晰、用直观的数据和图象形象地描述电磁场分布和电磁波传播的状态。帮助学生理解和掌握电磁场与电磁波传播的规律。有助于学生对这门课程的学习。

本文通过电磁场与电磁波传播课程教学中几个典型实例，利用Ｍａｔｌａｂ进行对相关问题进行仿真。将抽象的电磁场与电磁波传播过程形象化。

维直角坐标系中，设在（吗６）处有电荷叼，在（鸭－６）处有

电荷－ｑ，那么在电荷所在平面上任何一点的电势为旧：

“伍ｙ）７旦＿（上一上）），电场为：Ｅ＝Ｖｙ。

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其中ｒ＋＿

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Ｖ忙司舢）．，毕、／忙西舢）－。又设电荷电量ｑ＿２×

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ｌ舻。归１５，６—１．５。在Ｍａｔｌａｂ编程中，执行等位线绘图

指令ｃｏｎｔｏｕｒｆ可获得电位函数在空间的分布。计算场强则需对电势ｙ求负梯度即用ｇｒａｄｉａｎｔ（一ｙ），再用口ｕｉｖｅｒ函数就可绘制出空间电场的分布。用黑实线及为计算机绘制的等位线图，在Ｘ，ｙ平面上绘制带箭头的线条电场线、分布，电偶极子的等位线及电场线在二维平面上的分布如（图２）所示。通过将抽象的场函数仿真后。对场的分布就有了一个直观的概念．对场的性质理解起来也就更加容易。电场线的疏密表示电场的弱强．某点处切线方向表示电场的方向。从而建立起电场线与电场强度之间的有效联系。而且等势线与电场线正交．顺着电场线方向电势降低，电场强度是电势的负梯度等，这些从图象中都可以得到直接验证。

１．２同轴电缆线电场分布的仿真

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１电磁场中电力线和等势线的仿真

利用Ｍａｔｌａｂ的图形功能，绘制电偶极子和同轴电缆线电场线、等势线等。以帮助学生更好的理解电磁场。

１．１．电偶极子电场和等势线的分布仿真

在电磁理论中，电偶极子电场问题是一个典型的问题。其等位线和电场线的绘制就是课程中较难把握的内容，借助Ｍａｔｌａｂ这将不再是一个难点。电偶极子是指由间距很小的两个等量异号电荷组成的系统。其模型是指电量为口、相距为Ｚ的一对正负点电荷所组成的系统，Ｏ是两个点电荷距离的中点，电偶极子的方向是从负电荷Ｑ：指向正电荷９，，如图１所示。在直角坐标系中。将原点放在偶极子中心，ｚ轴与相重合，远处一点ｐ的电位等于两点电荷电位的叠加。在二

收稿日期：２００８—１１—１５

１／

刃９。

。

图１电偶极子理论模型

图２电偶极子的等位线及

电场线分布图

基金项目：成阳师范学院教改项目（２００７０２０２７）；成阳师范学院科研基金项目（０８ｘＳＹＫ３０４）。

作者简介：王明军（１９７９一），男，陕西旬阳县人，成阳师范学院物理与电子工程学院讲师，博士，主要研究方向是光散射辐射

及其光信号处理。

万方数据　

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咸阳师范学院学报第２４卷

同轴电缆线是指用来传递信息的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（一根细芯）外面．两个导体间用绝缘材料互相隔离的结构制造的。外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上１１．习。

结构如图３所示，其导波装置是双导体结构，传输电磁波的主模式是ＴＥＭ波。从场的观点看，同轴线的边界条件既能支持ＴＥＭ波传输，也能支持波ＴＥ或ＴＭ波传输。究竟哪些波能在同轴线中传输．则取决于同轴线的尺寸和电磁波的频率【ｌｆ２Ｊ。同轴线的特点之一是可以从直流一直工作到毫米波波段．因此无论在微 …… 此处隐藏：3727字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……