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FDTD法

索引 FDTD法

FDTD法(Finite-difference time-domain method; FDTD method)は、電磁場解析の一手法である。日本語では時間領域差分法、有限差分時間領域法などと訳されるが、もっぱらFDTD法と呼ばれる。.

15 関係: マクスウェルの方程式ファラデーの電磁誘導の法則アンペールの法則オームの法則BerengerのPML吸収境界条件磁場磁束密度等方性媒質異方性媒質誘電率電場電磁場解析電束密度透磁率時間領域

マクスウェルの方程式

マクスウェルの方程式(マクスウェルのほうていしき、Maxwell's equations)は、電磁場のふるまいを記述する古典電磁気学の基礎方程式である。マイケル・ファラデーが幾何学的考察から見出した電磁力に関する法則が1864年にジェームズ・クラーク・マクスウェルによって数学的形式として整理された。マクスウェル-ヘルツの電磁方程式、電磁方程式などとも呼ばれ、マクスウェルはマックスウェルとも表記される。 真空中の電磁気学に限れば、マクスウェルの方程式の一般解は、ジェフィメンコ方程式として与えられる。 なお、電磁気学の単位系は、国際単位系に発展したMKSA単位系のほか、ガウス単位系などがあるが、以下では原則として、国際単位系を用いることとする。.

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ファラデーの電磁誘導の法則

ファラデーの電磁誘導の法則(ファラデーのでんじゆうどうのほうそく、Faraday's law of induction)とは、電磁誘導において、1つの回路に生じる誘導起電力の大きさはその回路を貫く磁界の変化の割合に比例するというもの。ファラデーの誘導法則ともよばれる。また、ファラデーの電気分解の法則との混同のおそれのない場合は、単にファラデーの法則と呼称されることもある。.

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アンペールの法則

アンペールの法則(アンペールのほうそく; Ampère's circuital law)は電流とそのまわりにできる磁場との関係をあらわす法則である。1820年にフランスの物理学者アンドレ=マリ・アンペール(André-Marie Ampère)が発見した。.

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オームの法則

ルク・オーム オームの法則(オームのほうそく、)とは、導電現象において、電気回路の部分に流れる電流とその両端の電位差の関係を主張する法則である。クーロンの法則とともに電気工学で最も重要な関係式の一つである。 1781年にヘンリー・キャヴェンディッシュが発見したが、その業績は1879年にマクスウェルが『ヘンリー・キャヴェンディシュ電気学論文集』として出版するまで未公表であった。 ヘンリーの最初の発見後、1826年にドイツの物理学者であるゲオルク・オームによって再発見・公表されたため、その名を冠してオームの法則と呼ばれる。.

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BerengerのPML吸収境界条件

BerengerのPML(Perfectly matched layer)吸収境界条件は波動方程式における人工的な吸収層であり、開境界をシミュレーションするとき計算領域を削減する数値計算手法として、特にFDTD法と有限要素法で使われている。 PMLと通常の吸収体を区別する特徴はPMLへ入射する波を境界面で反射しない設計である。この特徴によりPMLが外向きの強い波を吸収するため計算領域内で外側の境界面からの反射波が無い計算ができる。 PMLは当初は1994年にBerengerによりマックスウェル方程式で使用するために定式化された。その後、マクスウェル方程式だけでなく他の波動方程式、例えば弾性力学、線形化したオイラー方程式、ヘルムホルツ方程式、多孔質弾性力学に関連した定式化が行われている。 Berengerによる定式化はsplit-field PMLと呼ばれており、それはPML領域で電磁場が2つの非物理的な場に分けられるためである。 後の定式化がより一般的となったがそれは単純かつ効率がよいためでその定式化はuniaxial PMLまたはUPMLと呼ばれている。これはPMLが人工異方性吸収材とみなされる。 Berengerの定式化とUPMLは一様な媒質からの入射平面波がPML境界で反射しない条件を手動で構成することにより最初は導出された。どちらの形式もより洗練された一般的な手法のstretched-coordinate PMLと同等であることが後に示された。 特に、PMLは1つ(またはそれ以上)の座標が複素数に写される座標変換と対応することが示された。より専門的に言えば、これは実際には波動方程式の複素座標への解析接続であり、伝播する(振動する)波を指数関数的に減衰する波に置き換える。 この見方はPMLが導波管などの不均一媒質、他の座標系の波動方程式でも導出可能であることを示している。.

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磁場

磁場(じば、Magnetic field)は、電気的現象・磁気的現象を記述するための物理的概念である。工学分野では、磁界(じかい)ということもある。 単に磁場と言った場合は磁束密度Bもしくは、「磁場の強さ」Hのどちらかを指すものとして用いられるが、どちらを指しているのかは文脈により、また、どちらの解釈としても問題ない場合も多い。後述のとおりBとHは一定の関係にあるが、BとHの単位は国際単位系(SI)でそれぞれWb/m², A/m であり、次元も異なる独立した二つの物理量である。Hの単位はN/Wbで表すこともある。なお、CGS単位系における、磁場(の強さ)Hの単位は、Oeである。 この項では一般的な磁場の性質、及びHを扱うこととする。 磁場は、空間の各点で向きと大きさを持つ物理量(ベクトル場)であり、電場の時間的変化または電流によって形成される。磁場の大きさは、+1のN極が受ける力の大きさで表される。磁場を図示する場合、N極からS極向きに磁力線の矢印を描く。 小学校などの理科の授業では、砂鉄が磁石の周りを囲むように引きつけられる現象をもって、磁場の存在を教える。このことから、磁場の影響を受けるのは鉄だけであると思われがちだが、強力な磁場の中では、様々な物質が影響を受ける。最近では、磁場や電場(電磁場、電磁波)が生物に与える影響について関心が寄せられている。.

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磁束密度

磁束密度(じそくみつど、)とは、文字通り磁束の単位面積当たりの面密度のことであるが、単に磁場と呼ばれることも多い。磁束密度はベクトル量である。 記号 B で表されることが多い。国際単位系 (SI)ではテスラ (T)、もしくはウェーバ毎平方メートル (Wb/m2)である。.

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等方性媒質

等方性媒質とは、結晶の分子・イオンの空間分布が方向に依存しない物質のことである。.

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異方性媒質

方性媒質(いほうせいばいしつ)とは、結晶の分子・イオンの空間分布が方向に依存する物質のことである。.

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誘電率

誘電率(ゆうでんりつ、permittivity)は物質内で電荷とそれによって与えられる力との関係を示す係数である。電媒定数ともいう。各物質は固有の誘電率をもち、この値は外部から電場を与えたとき物質中の原子(あるいは分子)がどのように応答するか(誘電分極の仕方)によって定まる。.

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電場

電場(でんば)または電界(でんかい)(electric field)は、電荷に力を及ぼす空間(自由電子が存在しない空間。絶縁空間)の性質の一つ。E の文字を使って表されることが多い。おもに理学系では「電場」、工学系では「電界」ということが多い。また、電束密度と明確に区別するために「電場の強さ」ともいう。時間によって変化しない電場を静電場(せいでんば)または静電界(せいでんかい)とよぶ。また、電場の強さ(電界強度)の単位はニュートン毎クーロンなので、アンテナの実効長または実効高を掛けると、アンテナの誘起電圧 になる。.

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電磁場解析

電磁場解析(でんじばかいせき、)とは、マクスウェルの方程式を解くことにより、対象物と電磁場の相互作用を解析することである。過去には、マクスウェルの方程式から導出される偏微分方程式を解析的に(手計算にて)計算することを指していたが、現在は専らコンピュータによって計算することを指し、積分方程式を解く解法もある。 工学分野では、電磁界解析という。電磁場解析には、静電場(静電界)解析、静磁場(静磁界)解析、電磁誘導解析、電磁波解析等が含まれる。このうち、電磁波解析は高周波回路や無線通信用回路、アンテナやレーダー等の設計・解析、電磁環境適合性 回折格子などに使用される。また、比較的低周波(数十Hz - 数百Hz)の磁界解析は、モーターなどの回転器やの設計などに用いられる。.

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電束密度

電束密度(でんそくみつど、)は、電荷の存在によって生じるベクトル場である。 電気変位()とも呼ばれる。電場の強度は電荷に力を及ぼす場であり、電束密度とは由来が全く異なる場であるが、真空においては普遍定数により結び付けられてその違いが現れない。誘電体を考える場合には両者の違いが現れるが、誘電体を真空における電荷の分布であると考えることで、電束密度をあらわに用いる必要はなくなる。SIにおける単位はクーロン毎平方メートル(記号: C m)が用いられる。.

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透磁率

透磁率(とうじりつ、magnetic permeability)または導磁率(どうじりつ)は、磁場(磁界)の強さ H と磁束密度 B との間の関係を B.

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時間領域

時間領域(じかんりょういき、Time domain)とは、数学的関数、物理的信号、経済学やのデータ等の時間についての解析を意味する用語である。 時間領域には、信号あるいは関数値が連続的な実数で表される連続時間と、ある間隔で値が示される離散時間がある。オシロスコープは、実世界の信号を時間領域で視覚化するツールである。 時間領域のグラフは、時間によって信号がどう変化するかを示し、周波数領域のグラフは、それぞれの周波数帯域にどれだけの信号が存在するかを示す。.

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