真空中电场线与电势仿真器设计
开题报告
一、 选题意义与可行性分析
电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。
电磁场理论的早期发展历史是和无线通信和雷达的发展分不开的,早先主要应用在军事领域[1]。而现在电磁场的应用已经遍及地学、生命科学和医学、空间科学、材料科学和信息科学等几乎所有的技术科学领域，并且以电磁场为基础，诞生了计算机学、微电子学、无线电学、射电天文学、X射线学、量子力学和高能物理学等等一系列的学科[1]，在工业上，产生了电解、电镀、电热、电焊、电火花等等一系列的新的金属加工手段，提高了生产效率，后来又利用空间电磁波的传播，发展了广播电视以及无线通信等等。所以我们在现实生活中，到处都可遇到电磁场，它应用于医疗、工业、通信、卫星定位、电磁炉等家电、遥控等等方面。
电磁波的辐射与传播规律，更是一切无线电活动的基础。我们知道，电磁波是由电场和磁场相互作用产生的，而我们通常用电场线将电场具体化，通过电场线的密度来看出其电场强度，通过电场线的方向来判断其电场的方向。因此，通过用计算机来描绘电场线以及其电势的变化是具有非常重要意义[1]。
由于电磁场与电磁波是众多学科的理论基础[8]，从而成为相关专业课程建设的一个非常重要的环节。利用Eclipes软件来模拟真空中的电场线，判断电势的大小，不仅可以形象直观的处理图形来帮助人们理解，有利于对新知识的掌握，并且这有助于解决实际工程问题。
二、 国内外研究现状
现代工业的飞速发展使得电器产品的结构越来越复杂,特殊使用场合越来趁多。电机和变压器的单机容量越来越大,现代超导电机和磁流体发电机必须用场的观点和方法去解决设计问题。电磁场作为一种可控的物理场，因此它在众多领域都发挥着无可替代的作用，广泛应用于医疗、工业、通信、卫星定位、家电等等方面。例如在材料加工中，电磁场作为自然界重要的物理场之一 , 因具有独特的性能如交变磁场的感应热可作为高效清洁的热源[7] , 交变磁场在金属熔体内产生电磁力以及均恒磁场与直流电流交互作用产生的电磁力 , 可作为外力施加到材料表面和内部且便于操作和控制 , 因此成为金属材料熔炼、熔体提纯、组织细化、控制熔体凝固与成形以及制造复合材料的一种重要手段[3-6]。
而电磁场数值计算已发展了许多方法,主要可分为积分法(积分方程法、边界积分法和边界元法)、微分法(有限差分法、有限元法和网络图论法等)及微分积分法的混合法[2]。
另外我国学者在电磁场理论的研究成果有：
（1）随着微波遥感的发展，电磁散射和电磁辐射的遥感理论越来越热门。随 着电磁波在地学、生物学和医学中的广泛应用，我国学者越来越受关注电磁场的逆散射问题。
（2）致力研究手征介质(或称旋波介质)是一种用于隐身技术的新型复合材料。
（3）小波分析是80年代末期发展起来的现代调和分析的一个重要分支。小波正交基的多分辨率结构是空间(时间)自适应算法的有效框架。
（4）利用一种分形(或分数维)的新数学方法。
这些研究中，是以电磁场理论为基础，而模拟真空中的电场线以及计算该点的电势有利于人们更形象生动地看见电场，理解其作用的原理。
三、 研究的基本内容与拟解决的主要问题
本设计主要首先深入了解真空中电磁场的各个性质，主要为电场线方向，密集程度以及某一点的电势大小.
然后,针对不规则的图形，或者是不同数量的电子,
扩展作出不同的条件下的电场线，计算出某点的电场强度。利用Eclipes
软件进行模拟真空中的电场线，画出不同图形粒子发出的不同电场线情况。
本设计重点要解决的问题有：
1、模拟器框架的选用和程序的编写；
2、在已实现的模拟器框架的基础上设计真空中的电场线与电势
3、通过实验研究画出不同图形的电场线以及电势变化
四、 总体研究思路(方法与技术路线)
本设计的主要目的是真空中的电场线和电势仿真器设计，通过Eclipes软件平台，制作一份app来模拟真空中电场线和电势的计算。我将本设计的研究思路主要分为以下七步。
1、电场线的深入了解
电场线的基本特征[14]有：（1）电场方向是点电荷发出的电场线的该点切线方向；（2）某一点的电场线的密度越大，则说明该处的电场强度越大；（3）电场线都是由正电荷开始发射，终止于负电荷，如果没有负电荷，那么它发射到无穷远。同理可得，若由无线远的电场线发射而来也会终止于负电荷。（4）点电荷发射的电场线或者其接受的电场线都是和它的电量成正比关系。
示例（1）真空中正电荷发射电场线：
图1 两点电荷的电势大小
首先用一个带正电的点电荷作为发射粒子的圆（极小），对于这个点电荷产生的电场强度来说其他电荷在该圆上产生的电场强度可以忽略[9]。将这个圆周等分成一定数量的点，点的数量要与圆周附近产生的电场线的数量相等。分别以这些点作为起点画出电场线后，取其长度为
，然后可以根据这一点的电场方向和它的长度绘制出电场线数量。然后去操作下一个起点作新的电场线，一直重复下去，其电场线要终止在负电荷或者无穷远的地方。
如图1
所示，设点 
和 
是同一根电场线上相邻的两点，其中
点的场强在 x
轴和 y
轴方向的分量分别为
和
[4]
，则两点坐标之间的关系为：
(式1)
2、对某一个点的电场强度（电势）的计算
设点电荷
是产生电场的源头，我们将其所在的位置称为源点，位置矢量是
[10]；取试验电荷
，将其所在的位置称为场点，位置矢量是
。依据库伦定律，那么
受到的作用力为
（式2）
由此可见，此试验电荷
的与作用力
比值只是和产生电场的源电荷
以及试验电荷所在点的位置有关[9]，所以用它来表示电场。最后，定义电场强度矢量为
（式3）
（式4）
可见，电场强度
是一个矢量函数[10]。点电荷的电场强度的大小等于单位正电荷在该点所受电场力的大小，其方向与正电荷在该点所受电场力方向一致。电场强度的单位是V/m
（伏/米）。
对于由N
个点电荷产生的电场，根据电场强度与点电荷量成正比关系，可利用叠加原理得到场点
处的电场强度等于各个点电荷单独产生的电场强度的矢量和。即
（式5）
3、不规则图形的电势计算
对于电荷分别以体密度、面密度和线密度连续分布的带电体，可以将电体分割成很多小带电单位，而每个带电单元可看做一个点电荷，这样就可由式6计算电场强度。
上式右端实际定义了一个体积分，故上式可写为
（式6）
用样可导出电荷分别按面电荷密度
和线电荷
连续分布时，场点
处的电场强度计算公式
（式7）
（式8）
4、JAVA的语言深入了解
首先，java语言是Eclipes软件平台的语言基础，了解java的编写以及代码的意义，才能制作app来模拟真空中电场线以及电势的大小。而Java语言我们需要了解以下几块内容1、java基本语法规则，2、程序流程控制，3、数组的应用，4、方法的应用，5、面向对象的应用[11]。
5、Eclipes的配置搭建
首先,我们需要下载jdk,可以找到 www,oracle,com站点,在其中的页面（http://www.oracle,com/technetwork/java/javase/downloads/jdk6dowrlloads-19028 14.html）找到相应平台的下載链接进行下載(Win32、 Win64、 Mac、 Linux等)。到站点下载提供了集成好的 windows平台下的 Android开发环境,它包括 Eclipse、 Android sDK和 ADT插件等系列软件。我们可以找到（http：//developer.android.com/sdk/index.html）页面,点击右侧的DownIoadtheSDK (ADT8undle forWindows)链接,然后勾选同意软件协议开始下载过程。 最后Android开发环境的搭建就只要两步即可, 即安装jdk和 ADT Bundle[11]。
6、 在Eclipes平台上进行程序编写
利用java语言在Eclipes软件上进行程序编写[12]。编写开始界面，跳入选择界面（规则图形，不规则图形，多个规则图形），进入相应界面后，选择图形画出其电场线和计算出相应点的电势。
7、通过Eclipes的实验仿真，得出实验数据并分析
预计可以得出不同图形的电场线以及某点的电场强度。
五、预期研究成果
1、分析当前真空中规则图形，了解其电场线发射方向
2、计算某点的电场强度，即电势。
3、画出规则图形的电场线后，画出不规则图形或者多数目规则图形电场线
4、利用Eclipes软件作出电场线仿真app，通过模拟电场线走向以及真空中电场中某一点的电场强度，深入理解电场情况。
参考文献
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的极限是表明试验电荷
应为电量足够小的点电荷，以使其引入不会扰动源电荷
的电场。将式3和式4，即得到点电荷的电场强度
分布在体积V内，则小体积元
所带电荷量
。根据式6场点
的电场强度[10]为
