مدل‌سازی الکترومغناطیس در کامسول

مدل‌سازی الکترومغناطیس (Electromagnetics) در نرم‌افزار COMSOL یکی از توانمندترین بخش‌ها برای شبیه‌سازی پدیده‌های وابسته به میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی، و الکترومغناطیسی است. این حوزه نقش کلیدی در طراحی تجهیزات الکتریکی، آنتن‌ها، موتورها، مبدل‌ها، سنسورها و سیستم‌های مخابراتی دارد. COMSOL امکان مدل‌سازی دقیق در فرکانس‌های پایین (مانند جریان‌های القایی) تا فرکانس‌های بالا (مانند امواج رادیویی و مایکروویو) را فراهم می‌کند.

حوزه‌های اصلی مدل‌سازی الکترومغناطیس در COMSOL

۱. الکترواستاتیک (Electrostatics)

شبیه‌سازی توزیع میدان الکتریکی در حضور ولتاژها و بارهای ساکن. مناسب برای بررسی خازن‌ها، سنسورهای ظرفیت‌سنج، میدان‌های ناشی از شارژ ساکن و تحلیل ایزولاسیون.

۲. الکترودینامیک جریان پایین (AC/DC)

برای تحلیل سیستم‌های با جریان مستقیم یا متناوب کم‌فرکانس، مانند سیم‌پیچ‌ها، ترانسفورماتورها، موتورها، ژنراتورها، جریان‌های گردابی و القایی. این بخش شامل تحلیل‌های کوئزی‌استاتیک و گذرا است.

۳. الکترومغناطیس فرکانس بالا (RF / Microwave)

شبیه‌سازی انتشار امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های بالا برای طراحی آنتن، موج‌بر، فیلترهای مایکروویو، رادار و سیستم‌های مخابراتی.

۴. میدان‌های مغناطیسی (Magnetostatics & Magnetic Fields)

تحلیل میدان‌های مغناطیسی ثابت یا متغیر با زمان در اجسام مغناطیسی، مغناطیس‌سنج‌ها، القاگرها و مواد فرو‌مغناطیسی. این مدل‌ها امکان در نظر گرفتن هیسترزیس و مواد با رفتار غیرخطی را نیز دارند.

۵. الکترومغناطیس پلاسما (Plasma Module)

شبیه‌سازی پدیده‌های پیچیده شامل یونیزه شدن گازها، تخلیه الکتریکی، قوس الکتریکی و پلاسمای حرارتی و غیرحرارتی.

ماژول‌های مربوط به الکترومغناطیس در COMSOL

• AC/DC Module: تحلیل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در فرکانس پایین

• RF Module: شبیه‌سازی امواج رادیویی، آنتن‌ها و امواج الکترومغناطیسی در فرکانس بالا

• Wave Optics Module: مناسب برای مدل‌سازی لیزر، فیبر نوری، و تعامل موج-نور

• Plasma Module: مدل‌سازی پلاسمای صنعتی و گداخت

• Ray Optics Module: تحلیل پرتوهای نوری در سیستم‌های اپتیکی بزرگ‌مقیاس

• MEMS Module: برای شبیه‌سازی تعامل نیروهای الکترواستاتیک با سازه‌های میکرو

مراحل مدل‌سازی الکترومغناطیس در COMSOL

۱. تعریف هندسه
ایجاد شکل فیزیکی سیستم موردنظر (مثل کویل، موج‌بر، آنتن یا خازن).

۲. انتخاب فیزیک مناسب
بسته به نوع کاربرد، یکی از فیزیک‌های الکترواستاتیک، جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، امواج الکترومغناطیسی، یا امواج نوری انتخاب می‌شود.

۳. وارد کردن خواص مواد
شامل خواص الکتریکی مانند ε (پرمیتیویته)، σ (هادی بودن)، μ (پرمابیلیتی)، یا رفتارهای غیرخطی.

۴. اعمال شرایط مرزی و منابع
ولتاژها، جریان‌ها، موج‌های ورودی، سطح‌های بازتابنده یا جذب‌کننده، شرایط زمینی یا عایق الکتریکی.

۵. ساخت مش و تنظیم حل‌گر
بسته به فرکانس و هندسه، مش دقیق‌تری در نواحی کلیدی ایجاد می‌شود.

۶. حل عددی و تحلیل نتایج
نتایج شامل توزیع میدان‌ها (E، H، B)، جریان‌های القایی، توان تلف‌شده، بازتاب و عبور موج، بهره آنتن و غیره استخراج می‌شوند.

کاربردهای رایج

• طراحی موتورهای الکتریکی، ژنراتورها، ترانسفورمرها

• تحلیل آنتن‌ها و موج‌برها در مهندسی مخابرات

• بررسی اثرات الکترومغناطیسی بر بدن یا تجهیزات (EMC, EMI)

• طراحی تجهیزات نوری و فوتونیکی

• تحلیل تجهیزات پزشکی مانند MRI یا لیزرهای درمانی

• مدل‌سازی القای الکترومغناطیسی برای گرمادهی صنعتی

قابلیت‌های ویژه COMSOL در این حوزه

• ترکیب با سایر فیزیک‌ها (مثلاً گرمایش ژولی، تنش‌های حرارتی، یا جریان سیال)

• شبیه‌سازی چندمقیاسی: از ابعاد نانو تا سیستم‌های بزرگ

• مدل‌سازی خطی و غیرخطی، مواد متغیر با زمان و مکان

• امکان کوپل با مدارهای الکتریکی خارجی (Circuit Interface)

• استفاده از پورت‌ها، شرایط پرتو تابشی، موج تخت، یا شبکه‌های پریودیک

جمع‌بندی

مدل‌سازی الکترومغناطیس در COMSOL یکی از جامع‌ترین و دقیق‌ترین روش‌ها برای تحلیل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است. با پشتیبانی از طیف گسترده‌ای از فیزیک‌ها، قابلیت چندفیزیکی بالا، و رابط کاربری شهودی، این نرم‌افزار انتخابی قدرتمند برای مهندسان برق، فیزیک، پزشکی و صنایع پیشرفته به شمار می‌رود.