Báo cáo khảo sát trường Điện từ mô phỏng bằng phần mềm matlab

Trong đó, trường điện là một vùng không gianxung quanh các hạt mang điện và tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó.. Độ lớn và hướng của trường điện phụ thuộc vào vị trí v

KHÁI NIỆM VÀ ỨNG DỤNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Các khái niệm của trường điện từ

Hiện tượng điện là một phần quan trọng trong tự nhiên, ảnh hưởng đến nhiều quá trình hóa học và sinh học xung quanh chúng ta Tất cả các hiện tượng này đều xuất phát từ sự tương tác điện từ giữa các nguyên tử và phân tử Trong tự nhiên, có bốn dạng tương tác cơ bản: tương tác điện từ, tương tác hấp dẫn, tương tác mạnh và tương tác yếu, và tất cả các tương tác khác đều có thể được quy về một trong bốn dạng này.

Trường điện từ là một dạng vật chất bao quanh các điện tích, bao gồm cả điện tích đứng yên và chuyển động Nó mang năng lượng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như năng lượng hóa học, nhiệt, và chuyển động cơ học Trường điện được tạo ra xung quanh các hạt mang điện, tác động lực điện lên các điện tích khác trong vùng không gian đó, với độ lớn và hướng phụ thuộc vào vị trí và độ lớn của các điện tích nguồn Bên cạnh đó, trường từ xuất hiện xung quanh các dòng điện hoặc vật thể từ tính, gây ra lực tác dụng lên các vật có từ tính trong khu vực.

Ứng dụng của trường điện từ

1 Công nghiệp và giao thông

Hầu hết các dụng cụ và máy móc trong ngành công nghiệp hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, trong đó máy phát điện và động cơ đóng vai trò quan trọng Máy phát điện và động cơ biến đổi cơ năng thành năng lượng điện, cung cấp nguồn điện chính cho hệ thống điện công nghiệp thông qua động cơ IC Sự hoạt động của các thiết bị này hoàn toàn dựa vào nguyên tắc điện từ.

Trong công nghiệp, trường điện từ được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật hàn, nơi nó cung cấp nhiệt lượng cần thiết để nung chảy kim loại và tạo ra mối hàn chắc chắn Các phương pháp hàn hiện đại như hàn hồ quang, hàn laser và hàn plasma đều tận dụng sức mạnh của trường điện từ Cụ thể, trong hàn laser, trường điện từ tập trung năng lượng vào một điểm nhỏ, tạo ra nhiệt độ cực cao để cắt hoặc hàn kim loại, trong khi hàn plasma sử dụng trường điện từ để ion hóa khí, tạo ra tia plasma có khả năng cắt chính xác qua các vật liệu dày Sự phát triển công nghệ đã giúp các phương pháp hàn trở nên chính xác, hiệu quả và linh hoạt hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất ngày càng cao của các ngành công nghiệp.

Kiểm soát chất lượng dựa trên trường điện từ là công cụ hiệu quả để đảm bảo chất lượng sản phẩm Bằng cách sử dụng tương tác giữa các trường điện từ như tia X, sóng siêu âm và điện trường, các kỹ thuật này giúp phát hiện khuyết tật bên trong vật liệu, đo kích thước chính xác và phân tích thành phần hóa học một cách nhanh chóng và không xâm lấn.

Bếp từ là một loại bếp hiện đại, khác biệt với bếp củi hay bếp ga, sử dụng công nghệ cảm ứng từ để làm chín thực phẩm Chỉ cần đặt nồi hoặc chảo lên bề mặt bếp, nó sẽ tự động nóng lên, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng.

Bếp từ sử dụng công nghệ cảm ứng từ để làm nóng nồi nấu, khác với các phương pháp truyền thống như lửa hay điện Nhờ vào dòng điện cảm ứng, dụng cụ nấu được làm nóng trực tiếp, giúp nhiệt độ tăng nhanh chóng.

Trong bếp từ, một cuộn dây đồng được lắp đặt dưới lớp vật liệu cách nhiệt, thường là mặt bếp bằng gốm thủy tinh, và dòng điện xoay chiều được truyền qua cuộn dây này.

Từ trường dao động tạo ra một từ thông liên tục từ hóa nồi, khiến nồi hoạt động như lõi từ của máy biến áp Quá trình này sinh ra dòng điện xoáy (dòng điện Fu-cô) lớn trong nồi, dẫn đến tác động của lực hãm điện từ Kết quả là hiệu ứng tỏa nhiệt Jun - Lenxơ được tạo ra, làm nóng đáy nồi và thức ăn bên trong.

Các thiết bị gia dụng như máy giặt, quạt điện và máy hút bụi sử dụng động cơ điện, chủ yếu hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Khi dòng điện chạy qua cuộn dây (stator), nó tạo ra một từ trường, từ trường này tác động lên cuộn dây trong rotor, tạo ra momen xoắn khiến rotor quay Quá trình quay của rotor chuyển đổi thành chuyển động cơ học Đối với động cơ một chiều (DC), chổi than và cổ góp đảm bảo dòng điện luôn chảy theo hướng cần thiết để duy trì chiều quay của rotor, trong khi động cơ xoay chiều (AC) có dòng điện thay đổi hướng liên tục, giúp rotor quay đều đặn mà không cần chổi than.

Cộng hưởng từ (MRI) là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh sử dụng từ trường mạnh và sóng vô tuyến để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể, đặc biệt là mô mềm như não, cột sống và các cơ quan nội tạng MRI nổi bật với khả năng không gây tổn hại cho mô và cung cấp hình ảnh rõ ràng, làm cho nó trở thành một công cụ chẩn đoán hiệu quả Một ứng dụng tương tự của trường điện từ là chụp cắt lớp PET/CT, nơi giúp phát hiện bất thường trong chức năng cơ thể, như hoạt động bất thường của tế bào ung thư, thông qua việc sử dụng sóng điện từ để thu thập dữ liệu và chuyển hóa thành hình ảnh Ngoài ra, trường điện từ còn được ứng dụng trong đo điện tâm đồ và điện não đồ.

Các điện cực được gắn lên da bệnh nhân ở vị trí như ngực, cánh tay và da đầu để ghi lại tín hiệu điện từ hoạt động của tế bào, tạo thành đồ thị Phương pháp này là một ứng dụng của trường điện từ, giúp phát hiện sớm các vấn đề tim mạch một cách hiệu quả Ngoài ra, trường điện từ còn được ứng dụng trong y học qua các phương pháp như xạ trị ung thư và các thiết bị y tế khác như máy tạo nhịp tim.

4 Thông tin liên lạc và viễn thông

Trong hệ thống điện thoại di động và các phương tiện liên lạc khác, năng lượng âm thanh được chuyển đổi thành năng lượng điện từ Máy phát vô tuyến truyền tải năng lượng điện từ đến máy thu, nơi năng lượng này được chuyển đổi trở lại thành năng lượng âm thanh.

MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Bài toán 1

Hình chữ nhật có chiều dài cạnh 10m và 15m chứa hình ngũ giác với cạnh 2m, bên trong có điện thế 200V, 400V, 600V, 800V, 1000V, trong khi điện thế bên ngoài là 0V Không có điện tích trong miền không khí, chúng ta sẽ xem xét sự phân bố trường, dẫn đến việc giải phương trình Laplace Để mô phỏng phần này, cần tuân thủ các bước cụ thể.

B1: Gõ lệnh pdetool tại cửa sổ Command Window của Matlab và nhấn Enter để PDE Toolbox hiện lên Ta lần lượt thực hiện các bước tiếp theo như sau:

Hình 1 – Nhập lệnh pdetool trong Command Window

Hình 2 – PDE Toolbox sau khi nhấn Enter B2: Đặt lưới cho cửa sổ PDE: Option -> Grid

Hình 3 – Đặt lưới cho PDE

Hình 4 – Kết quả sau khi đặt Grid

B3: Theo như đề bài ta lần lượt vẽ hình chữ nhật và hình ngũ giác đều.

Vẽ hình chữ nhật bằng cách: Draw -> Rectagle – Squared Sau đó kích đúp chuột vào hình để chỉnh thông số như hình

Hình 5 – Hình chữ nhật với cạnh 10m và 15m

Hình 6 – Hình ngũ giác với cạnh là 2m

Các bước vẽ tương tự với vẽ hình chữ nhật, khác chỗ là chọn Polygon trong Draw

B4: Điều chỉnh Set Formula thành R1 – P1 để xác định trường điện từ cần xét

Hình 7 – Sửa Set formula thành R1-P1

B5: Vào menu Option -> Apllication -> Electrostatic

B6 : Để thiết lập điều kiện bờ cho bài toán ta chọn : Boundary -> Boundary Mode.

Hình 10 – Kết quả sau khi chọn Boundary Mode

Kích chuột lần lượt vào các cạnh của hình ngũ giác bên trong và thiết lập thông số r lần lượt là 200V, 400V, 600V, 800V, 1000V, với thông số h = 1 cho cả 5 cạnh Đối với hình chữ nhật bên ngoài, giữ phím Shift và kích vào cả 4 cạnh, sau đó nháy đúp vào một cạnh để điều chỉnh thông số r = 0 và h = 1.

Hình 11 – Thiết lập thông số cho 1 cạnh của ngũ giác.

B8: Chọn menu PDE -> PDE Specification và gán biến epsilon = 1; rho = 0

Hình 13 – Thiết lập thông số trong PDE Specification

B9 : Khởi tạo lưới các phần tử hữu hạn cho miền khảo sát, ta vào menu Mesh -> Initialize Mesh

Hình 15 – Kết quả sau khi bấm Initialize Mesh

B10 : Để quan sát sự phân bố thế, ta vào menu Solve -> Solve PDE

Hình 17 – Kết quả sau khi bấm Solve PDE

B11: Để quan sát phân bố điện thế V trong vùng không gian khảo sát R1 – P1 dưới dạng các đường đẳng thế, ta vào menu Plot -> Parameters, tick vào ô contour.

Hình 19 – Kết quả sau khi tick vào Contour

B12: Để quan sát điện trường E ta tick vào ô Arrows hoặc Deformed Mesh.

Hình 20 – Kết quả sau khi tick vào Arrows

Để trực quan hóa phân bố và giá trị của các đường đẳng thế, bạn có thể sử dụng hình biểu diễn 3 chiều bằng cách chọn ô Height (3-D Plot).

Hình 21 – Kết quả thu được khi tích vào ô Height ( 3-D Plot )

Bài toán 2

Trong một hình vuông có chiều dài cạnh 15m, bên trong chứa một hình tròn với bán kính 4m, điện thế bên trong là 1000V trong khi điện thế bên ngoài là 0V Không có điện tích trong miền không khí, vì vậy chúng ta cần phân tích sự phân bố trường điện bằng cách giải phương trình Laplace Để mô phỏng tình huống này, cần tuân thủ một số bước cụ thể.

B1: Gõ lệnh pdetool tại cửa sổ Command Window của Matlab và nhấn Enter để PDE Toolbox hiện lên Ta lần lượt thực hiện các bước tiếp theo như sau:

Hình 1 – Nhập lệnh pdetool trong Command Window

Hình 2 – PDE Toolbox sau khi nhấn Enter

B2: Đặt lưới cho cửa sổ PDE: Option -> Grid

Hình 3 – Đặt lưới cho PDE

Hình 4 – Kết quả sau khi đặt Grid

B3: Theo như đề bài ta lần lượt vẽ hình chữ nhật và hình ngũ giác đều.

Vẽ hình chữ nhật bằng cách: Draw -> Rectagle – Squared Sau đó kích đúp chuột vào hình để chỉnh thông số như hình

Hình 5 – Hình vuông với cạnh 15m

Hình 6 – Hình tròn với bán kính là 4m

Các bước vẽ tương tự với vẽ hình chữ nhật, khác chỗ là chọn Elipse/Circled trong Draw

B4: Điều chỉnh Set Formula thành R1 – E1 để xác định trường điện từ cần xét

Hình 7 – Sửa Set formula thành R1-E1

B5: Vào menu Option -> Apllication -> Electrostatic

B6 : Để thiết lập điều kiện bờ cho bài toán ta chọn : Boundary -> Boundary Mode.

Hình 10 – Kết quả sau khi chọn Boundary Mode

Kích chuột vào các cạnh của hình vuông bên ngoài và thiết lập thông số r bằng 0V, h = 1 Đối với hình tròn bên trong, các cạnh lần lượt được đặt là 100V, 300V, 1000V và 600V, tương ứng với các thông số r là 100V, h = 1; r = 300V, h = 1; r = 1000V, h = 1.

Hình 11 – Thiết lập thông số cho hình vuông bên ngoài