电偶极子电磁场特性的可视化教学研究

梁兰菊，张新明，滕茂君

(枣庄学院 光电工程学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

电偶极子的电场强度和电势特性是电磁场理论的重要知识点，电偶极子辐射场的研究具有重要的应用价值，电偶极子的研究集中在数值求解[1-2]，在教学中也多以数值求解作为主要教学手段[3].而作为电磁场理论，其复杂场特性决定了它的抽象性，主要表现在空间的抽象性和公式化的抽象性.MATLAB语言的引入，为解决这个问题提供了有力的工具，将电磁场理论中的许多现象用可视化的二维、三维以及动态形式展现出来，大大的丰富了电磁场的内容[4].本文从点电荷的基本模型出发，模拟电磁场理论中的电偶极子的电场和电势特性.

1 点电荷的电场强度和电势仿真

图1点电荷的电场强度和电势图2点电荷的电场强线和等势线

2 电偶极子的电场强度和电势仿真

由等量异号电荷组成的电荷体系称为电偶极子，电偶极子的合场强大小方向为

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2.1 电偶极子在X-Y平面上的电势与电场分布

根据MATLAB编程模拟电偶极子在X-Y平面上的电势与电场分布，得到图3电偶极子在X-Y平面上的电势分布，得到在正电荷附件，电偶极子的电势比较高，在负电荷附近，电偶极子的电势比较低，在中垂线上电偶极子的电势为零.图4电偶极子在X方向上的电场分布，在X轴上，电场与X轴同向，在Y轴上，电场与X轴反向.图5电偶极子在Y方向上的电场分布，在第一和第三象限电场与Y方向同向，在第二和第四象限电场与Y方向反向.图6电偶极子在X-Y平面上的电场分布.

图3电偶极子在X-Y平面上的电势分布图4电偶极子在X方向上的电场分布

图5电偶极子在Y方向上的电场分布图6电偶极子在X-Y平面上的电场分布

2.2 电偶极子在延长线上的电势与电场分布

当公式(1)中a=0或a=π时，y=0，可得连线上的场强与电势，图8模拟了电偶极子在延长线上的电势分布.图9模拟了电偶极子在延长线上的电场分布.

图7电偶极子的场强方向图8电偶极子在延长线上的电势分布

图9电偶极子在延长线上的电场分布图10电偶极子在中垂面上的电势分布

2.3 电偶极子在中垂面上的电势与电场分布

图10模拟了电偶极子在中垂面上的电势分布.图11模拟了电偶极子在中垂面上的电场分布.图12模拟了电偶极子辐射的动态仿真.

图11电偶极子在中垂面上的电场分布图12电偶极子辐射的动态仿真

3 总结

文中应用MATLAB语言数值模拟仿真了点电荷电场强度和电势分布，以及电场线和电势线分布.模拟了电偶极子在x-y平面，延长线和中垂面上的电势和电场分布图，还仿真了电偶极子辐射的动态仿真.研究实现了将电偶极子抽象的理论解释变成可视化的动态演示，在实际学术理解和教学过程中能够为师生提供新的方法.

[1]张子珍，杨成全，杨文平.电偶极辐射场的另一种计算方法[J].山西大同大学学报(自然科学版).2014，30(1)：18-20.

[2]张兴坊，刘超，张健.电偶极子二项式展开的近似场解分析[J].枣庄学院学报，2013，30(2)：60-64.

[3]魏生贤，施传柱，李哲，等.电偶极子场强分布的拓展性教学[J].西南师范大学学报(自然科学版)，2013，38(9)：158-162.

[4]周群益，侯兆阳，刘让苏编著.MATLAB可视化大学物理学[M].北京：清华大学出版社，2011，324-328.