孫海倍

摘 要：隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，計算機(jī)仿真模擬無論在科學(xué)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(yīng)強(qiáng)度分布，并討論了磁場的均勻性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)仿真；Matlab；矩形線圈；磁場

一、計算機(jī)仿真的發(fā)展與應(yīng)用

近幾年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)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(xué)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(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)為頻繁進(jìn)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(yīng)急救災(zāi)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(yù)測維護(hù)、以及監(jiān)控控制等過程，進(jìn)一步提高我們對復(fù)雜系統(tǒng)的控制響應(yīng)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(jī)程序和算法實現(xiàn)有效的電機(jī)實時控制，以提高能源的利用效率。可以看到，當(dāng)前計算機(jī)仿真已經(jīng)融入到了科學(xué)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(dāng)代科學(xué)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(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了幾乎絕大部分的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)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(yīng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度分布，并討論了數(shù)值上的離散對場點磁感應(yīng)強(qiáng)度計算的誤差和收斂問題。通過計算空間中各點的磁感應(yīng)強(qiáng)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(fù)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(jìn)行。我們相信，隨著今后計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真模擬在科學(xué)研究、工業(yè)制造等各個領(lǐng)域?qū)⒕哂胁豢晒懒康膽?yīng)用前景。

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