测控技术与仪器课程设计-电流环磁场的分布.doc

测试与光电工程学院课程设计任务书测控技术与仪器系090812班学号09081209姓名王若珏课题名称：电流环磁场的分布课题要求：1.建立电流环磁场模型2.掌握图形的绘制3.编写图形显示界面4.显示电流环磁场分布图课题进程：第一周：确定使用哪种计算机语言编程；编写主要功能。第二周：程序的完善、运行与调试；撰写课程设计报告。指导教师：袁丽华【摘要】MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本课程设计根据毕奥一萨伐尔定律推导出圆环电流磁场分布的积分表示，利用MATLAB的符号积分得出计算结果，并绘制磁场分布曲线。并通过GUI制作可交互式界面进行仿真与演示。本课程设计选用MATLABR2008a软件。关键词：圆环电流；磁场；MATLAB；符号积分；GUI目录一引言.11.1课题简介.11.2课题制作要点.11.3MATLAB软件.1二理论分析.22.1毕奥一萨伐尔定律.22.2电流元Idl在圆环外的磁场.22.3电流元Idl在圆环内的磁场.32.4距离圆心z处的磁感应强度.3三程序设计.43.1GUI界面设计.43.1.1创建GUI文件.43.1.2GUI布局与控件设计.43.1.3GUI菜单栏设计.63.2功能实现.63.2.1菜单功能.63.2.2绘图设置相关控件功能实现.7四GUI运行效果.114.1GUI初始化效果.114.2菜单栏效果.114.3绘图效果.12五心得体会.13六参考文献.13第1页（共13页）一引言1.1课题简介圆电流是一个经典的物理模型。对圆电流内磁场分布特性的研究，在宏观上可以改善线圈绕组在电机中的应用。微观上。可以给分子电流提供理论基础，对进一步研究磁介质的磁性特征也有重要参考价值。本课题主要着重于对电流环磁场进行建模与仿真，根据毕奥一萨伐尔定律通过设定电流环半径、电流强度，模拟不同情况下磁场与磁感线的分布情况，并绘制成图像。1.2课题制作要点1电流环磁场参数的设定2电流环磁场的建模与仿真3可交互式GUI界面的设计1.3MATLAB软件简介MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能而且对于一些其他软件所没有的功能，MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。第2页（共13页）二理论分析2.1毕奥一萨伐尔定律毕奥一萨伐尔定律是以实验为基础经过科学抽象而得到的，描述的是电流元在空间任一点产生的磁感应强度。原则上利用毕奥一萨伐尔定律并结合磁感应强度叠加原理，可以计算任意形状的电流所产生的磁场。毕奥萨伐尔定律指出：载流导线上的电流元在真空中某点P的磁感度dB的大小与电流元的大小成正比，与电流元和从电流元到P点的位矢r之间的夹角的正弦成正比，与位矢r的大小的平方成反比，即：rrIdld2004上式中，r0为位矢r的单位矢量。此即毕奥萨伐尔定律的公式表述。2.2电流元Idl在圆环外的磁场图1电流元在电流环外的磁场如图1所示，根据毕奥一萨伐尔定律，任一电流元Idl在P点产生的磁感应强度rIdld2r0e4，考虑到Rddl，Rr-xrR，Rx-xRr2coscos2222222,有d）Rxx（R)R(R-xI-dB/23220cos2cos4（1）。第3页（共13页）2.3电流元Idl在圆环内的磁场图2电流元在电流环内的磁场如图2所示，电流元Idl在P点所产生的磁感应强度rIdld2r0e4，即d）Rxx（R)R(R-xIdB/23220cos2cos4（2）。2.4距离圆心z处的磁感应强度比较电流元Idl在圆环内、外的磁场表达式，两式仅相差一个负号。该负号体现了两种情况下磁场方向正好相反。若规定垂直纸面向外为磁感应强度的正方向，则电流元Idl在圆环内、外产生的磁感应强度可统一表示为(2)式的形式。结合磁感应强度叠加原理，整个圆环电流在距圆心处产生的磁感应强度为：d）Rxx（R）xR（/023220cos2cos2第4页（共13页）三程序设计3.1GUI界面设计3.1.1创建GUI文件打开MATLAB软件后，点击菜单栏中的“GUIDE”按钮，进入“GUIDEquick