測試與光電工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書測控技術(shù)與儀器系090812班學(xué)號09081209姓名王若玨課題名稱：電流環(huán)磁場的分布課題要求：1.建立電流環(huán)磁場模型2.掌握圖形的繪制3.編寫圖形顯示界面4.顯示電流環(huán)磁場分布圖課題進(jìn)程：第一周：確定使用哪種計算機(jī)語言編程；編寫主要功能。第二周：程序的完善、運行與調(diào)試；撰寫課程設(shè)計報告。指導(dǎo)教師：袁麗華【摘要】MATLAB是由美國MathWorks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。本課程設(shè)計根據(jù)畢奧一薩伐爾定律推導(dǎo)出圓環(huán)電流磁場分布的積分表示，利用MATLAB的符號積分得出計算結(jié)果，并繪制磁場分布曲線。并通過GUI制作可交互式界面進(jìn)行仿真與演示。本課程設(shè)計選用MATLABR2008a軟件。關(guān)鍵詞：圓環(huán)電流；磁場；MATLAB；符號積分；GUI目錄一引言.11.1課題簡介.11.2課題制作要點.11.3MATLAB軟件.1二理論分析.22.1畢奧一薩伐爾定律.22.2電流元Idl在圓環(huán)外的磁場.22.3電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)的磁場.32.4距離圓心z處的磁感應(yīng)強(qiáng)度.3三程序設(shè)計.43.1GUI界面設(shè)計.43.1.1創(chuàng)建GUI文件.43.1.2GUI布局與控件設(shè)計.43.1.3GUI菜單欄設(shè)計.63.2功能實現(xiàn).63.2.1菜單功能.63.2.2繪圖設(shè)置相關(guān)控件功能實現(xiàn).7四GUI運行效果.114.1GUI初始化效果.114.2菜單欄效果.114.3繪圖效果.12五心得體會.13六參考文獻(xiàn).13第1頁（共13頁）一引言1.1課題簡介圓電流是一個經(jīng)典的物理模型。對圓電流內(nèi)磁場分布特性的研究，在宏觀上可以改善線圈繞組在電機(jī)中的應(yīng)用。微觀上?？梢越o分子電流提供理論基礎(chǔ)，對進(jìn)一步研究磁介質(zhì)的磁性特征也有重要參考價值。本課題主要著重于對電流環(huán)磁場進(jìn)行建模與仿真，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律通過設(shè)定電流環(huán)半徑、電流強(qiáng)度，模擬不同情況下磁場與磁感線的分布情況，并繪制成圖像。1.2課題制作要點1電流環(huán)磁場參數(shù)的設(shè)定2電流環(huán)磁場的建模與仿真3可交互式GUI界面的設(shè)計1.3MATLAB軟件簡介MATLAB是由美國MathWorks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運行。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能而且對于一些其他軟件所沒有的功能，MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。第2頁（共13頁）二理論分析2.1畢奧一薩伐爾定律畢奧一薩伐爾定律是以實驗為基礎(chǔ)經(jīng)過科學(xué)抽象而得到的，描述的是電流元在空間任一點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。原則上利用畢奧一薩伐爾定律并結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，可以計算任意形狀的電流所產(chǎn)生的磁場。畢奧薩伐爾定律指出：載流導(dǎo)線上的電流元在真空中某點P的磁感度dB的大小與電流元的大小成正比，與電流元和從電流元到P點的位矢r之間的夾角的正弦成正比，與位矢r的大小的平方成反比，即：rrIdld2004上式中，r0為位矢r的單位矢量。此即畢奧薩伐爾定律的公式表述。2.2電流元Idl在圓環(huán)外的磁場圖1電流元在電流環(huán)外的磁場如圖1所示，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，任一電流元Idl在P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度rIdld2r0e4，考慮到Rddl，Rr-xrR，Rx-xRr2coscos2222222,有d）Rxx（R)R(R-xI-dB/23220cos2cos4（1）。第3頁（共13頁）2.3電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)的磁場圖2電流元在電流環(huán)內(nèi)的磁場如圖2所示，電流元Idl在P點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度rIdld2r0e4，即d）Rxx（R)R(R-xIdB/23220cos2cos4（2）。2.4距離圓心z處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)、外的磁場表達(dá)式，兩式僅相差一個負(fù)號。該負(fù)號體現(xiàn)了兩種情況下磁場方向正好相反。若規(guī)定垂直紙面向外為磁感應(yīng)強(qiáng)度的正方向，則電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)、外產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可統(tǒng)一表示為(2)式的形式。結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，整個圓環(huán)電流在距圓心處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：d）Rxx（R）xR（/023220cos2cos2第4頁（共13頁）三程序設(shè)計3.1GUI界面設(shè)計3.1.1創(chuàng)建GUI文件打開MATLAB軟件后，點擊菜單欄中的“GUIDE”按鈕，進(jìn)入“GUIDEquick