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Numerical Methods of Electromagnetic Field Theory I (NFT I) Numerische Methoden der Elektromagnetischen Feldtheorie I (NFT I) / 12th Lecture / 12. Vorlesung

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(1)

Numerical Methods of

Electromagnetic Field Theory I (NFT I) Numerische Methoden der

Elektromagnetischen Feldtheorie I (NFT I) / 12th Lecture / 12. Vorlesung

Universität Kassel

Fachbereich Elektrotechnik / Informatik

(FB 16)

Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik

(FG TET)

Wilhelmshöher Allee 71 Büro: Raum 2113 / 2115

Dr.-Ing. René Marklein

marklein@uni-kassel.de

http://www.tet.e-technik.uni-kassel.de

http://www.uni-kassel.de/fb16/tet/marklein/index.html

University of Kassel

Dept. Electrical Engineering / Computer Science (FB 16) Electromagnetic Field Theory

(FG TET)

Wilhelmshöher Allee 71 Office: Room 2113 / 2115

D-34121 Kassel

(2)

FIT Discretization of the 3rd and 4th Maxwell’s Equation / FIT-Diskretisierung der 3. und 4. Maxwellschen Gleichung

m

e

e

m

d ( , ) ( , ) ( , )

d

d ( , ) ( , ) ( , )

d

( , ) ( , )

( , ) ( , )

S C S S

S C S S

S V V

S V V

t t t

t

t t t

t

t t dV

t t dV









  

 

  

  

 

 

  

  

B R dS E R dR J R dS

D R dS H R dR J R dS

D R dS R

B R dS R

Governing Analytic Equations

Maxwell’s equations in integral form / Maxwellsche Gleichungen in Integralform

FIT Grid Equations

Maxwell’s grid equations / Maxwellsche Gittergleichungen

             

 

 

  

  

 

   

 

 

 

 

   

   

           

m

e

e e

m m

d ( ) ( ) ( )

d

d ( ) ( ) ( )

d

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

t t t

t

t t t

t

t t t

t t t

  

 

 

 

S B curl R E S J

ε S E curl ν R B S J

divε S E V ρ Q

div S B Q

(3)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

Electric Gauss’ grid equation – 3rd Maxwell’s grid equation in global matrix form /

Elektrische Gaußsche Gittergleichung – 3. Maxwellsche Gittergleichung in globaler Matrixform

 

 

 

   

 

 

e e

( ) ( )

( )

t t

t

divε S E V ρ

Q

 

 

 

   

 

 

e e

divε S E V ρ

Q t 0

 

 

 e

 

E R R

     

   

   

   

 

   

 

e

e e

 

 

   

   

    D Rε R E R

D R R

ε R E R

ε R R

ε R R

 

 

 

   

e

e

 

 ε R  R    R

   

   

e e

e e



    

   R R

R R

Inhomogeneous, anisotropic case / Inhomogener anisotroper Fall

Homogeneous, isotropic case / Homogener isotroper Fall

(4)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

 

 e

 

E R R

     

   

   

   

 

   

 

e

e e

 

 

   

   

    D Rε R E R

D R R

ε R E R

ε R R

ε R R

 

 

 

   

e

e

 

 ε R  R    R

   

   

e e

e e



    

   R R

R R

Inhomogeneous, anisotropic case / Inhomogener anisotroper Fall

Homogeneous, isotropic case / Homogener isotroper Fall

     

   

   

   

 

   

 

e

e e

S V V d

S V S V S V

V









 

  

   

    

 







D Rε R E R

D R dS R

ε R E R dS

ε R R dS

ε R R dS

 

  

  

   

e

e

 

d

S V VV

 

 ε R  R  dS



R

(5)

FIT Discretization of Scalar Electric Potential /

FIT-Diskretisierung des skalaren elektrischen Potentials

( )n

Ex

( )n

Ey ( )n

Bz ( )n

By ( )n

Ez

( )n

Bx

( )n

Ey ( )n

Bz ( )n

By ( )n

Ez

( )n

Bx

Integral form / Integralform Integral form / Integralform Differential form / Differentialform Differential form / Differentialform

( ) ( ) n

n

g G

m M

( )ngG

 

 e

 

E R R

 

E  

  

R 1 grad

  

e

FIT grid equation / FIT-Gittergleichung FIT grid equation / FIT-Gittergleichung

( )n

Ex ( )en

 (en M x)( )en

( )

en M z

( )

en M xMz

( )

en M y

   

   

e

e 2 e 1

C   C

     

E R dR

R dR

R R

 

 

E ( )n  

  

R 1 grad

  

e ( )n

(6)

FIT Discretization of Scalar Electric Potential /

FIT-Diskretisierung des skalaren elektrischen Potentials

( )n

Ey ( )n

Ez

( )n

Ex( )en

( )

en M x

( )

en M z

( )

en M y

 Integral form / Integralform

Integral form / Integralform

   

   

e

e 2 e 1

C   C  

     

E R dR

R dR

R R

 

   

 

   

 

 

 

0 0 0

0 0

0 0

0

0 0 0

0 0

0

( ) ( )

e e

e

e

e 0 e

, ,

, , e d ( , , ) d

d

, ,

, , e d

, , d , ,

x x

C x x

x x x x x

x x x x x

x x xn x x xn

x x

C x x

x x x x x

x x x x

x y z

x y z x E x y z x

E x

E x

x y z

x y z x

x y z x x

x y z x















 

    

   

   

   

  

   

 

 

E R dR E dR

E

R dR dR

 

 

0

( ) ( )

e e

, ,

n Mx n

x y z

 

   

   

   

e

e 2 e 1

( )

( ) ( ) ( )

e e e

( )

( ) ( ) ( )

e e e

( )

( ) ( ) ( )

e e e

( )

( )

( )

x

x y

y z

z

C C

n n n M n

x M

n n n M n

y M

n n n M n

z M

E x I S

E y I S

E z I S

    

     

        

        

        

E R dR

R dR

R R

 

(7)

FIT Discretization of Scalar Electric Potential /

FIT-Diskretisierung des skalaren elektrischen Potentials

   

   

e

e 2 e 1

C   C  

     

E R dR

R dR

R R

 

     

     

( )

( )

( )e

grad

( ) ( )

e

( )

( )

( )

grad

x y z n

n

x M

y M n

z M

R E

n n

E I S

x

y E I S

z E I S

R E



 

  

     

       

    

  

      

  

  

( )

( ) ( )

e e

( )e

( )

( ) ( )

e e

( )e

( )

( ) ( )

e e

( )e

( )

( )

( )

x

x

y

y

z

z

n M

n n

x

M n

n n n M

y

M n

n M

n n

z

M n

E x

I S

E y

I S

E z

I S

    

   

    

   

    

   

   

     

1

( ) 1 ( )

e

1 1

1

n grad n

x x

R y R

z y

z

E R

 

 

   

   

      

 

  

  

(8)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

Electrostatic Poisson’s grid equation / Elektrostatische Poissonsche Gittergleichung

 

E  

  

R 1 grad

  

e

   

e

e

 

 ε R  R    R

   

   

e e

e e



    

   R R

R R

Inhomogeneous, anisotropic case / Inhomogener anisotroper Fall

Homogeneous, isotropic case / Homogener isotroper Fall

 

 e

 

E R R

 

divε S E

 

 

 

 div ε S R

 

 

 

  

1grad

  

e

 

divε S R

 

 

  

1grad

  

  e V ρ

 

 

e

 

A x

   

b

   

 

 

   

   

   

 

1

e e

 

 

A divε S R grad x

b

with / mit

(9)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

Electrostatic Poisson’s grid equation / Elektrostatische Poissonsche Gittergleichung

 

divε S R

 

 

  

1grad

  

  e V ρ

 

 

e

 

     

     

     

 

     

     

     

 

   

   

   

3 3

3 3

1

diag{ } 0 0

0 diag{ } 0

0 0 diag{ }

diag{ } 0 0

0 diag{ } 0

0 0 diag{ }

diag 1 0 0

0 diag 1 0

0 0 diag 1

N N

N N

N N N N N N

N N

N N N N

N N

N N

N N

y z

x z

x y x

y

z

x

y

z

 

 

 



 

  

S

R

R

3N3N



(1)e (2)e e

( )e

( )

{ } ( ) , ,

N ( )

N

t

t i x y z

t

 

(10)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

Electrostatic Poisson’s grid equation / Elektrostatische Poissonsche Gittergleichung

 

divε S R

 

 

  

1grad

  

  e V ρ

 

 

e

 

 

     

     

     

   

   

   

   

 

1

diag 1 0 0

diag{ } 0 0

0 diag{ } 0 0 diag 1 0

0 0 diag{ }

0 0 diag 1

diag 0 0

0 diag

N N N N

N N

N N N N

N N

N N

y z x

x z y

x y

z y z

x

x z y

 

       

  

  

 

S R

 

   

0

0 0 diag

N N

N N

x y z

  

(11)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

   

 

 

e

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( , ) ( , )

( , ) ( ) ( ) ( )

( ) ( , ) ( ) ( ) ( )

x y z

x y z

S V V

n n n

M x M y M z

S V

n n n n n n

xx yy zz

M x M y M z

S V

t t dV

t S I D t y z S I D t x z S I D t x y

t S I E t y z S I E t x z S I E t x y

  







           

             

 

 





D R dS R

D R dS ε R E R dS

 

e( , ) e( )n ( )

Vt dV   t x y z  



R

 

 

 

( )

( ) ( ) ( )

e e e

( )

( ) ( ) ( )

e e e

( )

( ) ( ) ( )

e e e

1 1

( )

1 1

( )

1 1

( )

x

x y

y

z

z

n M

n n n

x M

n n n M n

y M

n M

n n n

z M

E I S

x x

E I S

y y

E I S

z z

        

 

        

 

        

 

 

 

 

 

 

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

e

( ) ( )

e

( ) ( )

e

( ) ( , )

1 ( )

1 ( )

1 ( )

x y z

x x

y y

z z

n n n n n n

xx yy zz

M x M y M z

S V

n n

M xx M

n n

M yy M

n n

M zz M

t S I E y z S I E x z S I E x y

S I I S y z

x

S I I S x z

y

S I I S

z

  



             

 

 

      

 

      

 

      



ε R E R dS

 x y

(12)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

e( , ) e( )n ( )

Vt dV   t x y z  



R

 

 

 

( ) ( )

e

( ) ( )

e

( ) ( )

e

( ) ( , ) 1 ( )

1 ( )

1 ( )

x x

y y

z z

n n

M xx M

S V

n n

M yy M

n n

M zz M

t S I I S y z

x

S I I S x z

y

S I I S x y

z



 

        

    

 

      

 

      



ε R E R dS

 

 

 

( ) ( )

e

( ) ( )

e

( ) ( ) ( )

e e

1 ( )

1 ( )

1 ( ) ( )

x x

y y

z z

n n

M xx M

n n

M yy M

n n n

M zz M

S I I S y z

x

S I I S x z

y

S I I S x y t x y z

z

 

 

     

 

      

 

          

   

   

   

( ) ( )

2 e

( ) ( )

2 e

( ) ( ) ( )

e e

2

1 ( )

1 ( )

1 ( )

x x

y y

z z

n n

M xx M

n n

M yy M

n n n

M zz M

S I I S

x

S I I S

y

S I I S

z

 

   

   

    

(13)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

   

   

 

 

 

( ) ( )

e

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

e e

2 2

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

e e e e

2

( ) (

2 e

1 1

( ) ( )

1

1

x x x x

x x x x

n M x n

xx Mx Mx

I

x

n n n n n

xx xx xx

M M M M

n n n n n n n n

xx xx xx xx

M M M M

S S

n M n

xx

S I I S S I S

x x

S S S S

x

x

  

   

      

 

 

 

 

 

       

 

  

 

 

 





 

 

 

( ) ( ) ( )

e

( ) ( ) ( )

) ( ) ( ) ( )

e e e

( ) ( ) ( ) ( )

2 e

2

( )

2

1 ( )

1 2

x x x

n n M x n

xx xx

x

x x x

M x x

x x

n M n n

M n n n M

xx xx xx

n M n n n

xx M M xx xx M

A

xxn M M M

S I S I S

x

S A

x

  

  

 

 

 

       

 

 

 

   

   

      

    

 

 

 





( )xxn  I ( )xxn SMx

( )en

 

1x 2

SMx I

( )xxn (I S Mx)( )en

 

1x 2

(xxn M x)SMx 2AMx( )xxn I ( )xxn SMx

( )en

(14)

3-D FIT – Electrostatic Case / 3D-FIT – Elektrostatischer Fall

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