Электродинамическая интерпретация результатов моделирования динамики электрона методом дискретных элементов

Abstract

В данной работе рассматривается алгоритм обработки динамических и кинематических данных, формируемых при решении задачи движения отдельной частицы методом дискретных элементов. Работа алгоритма нацелена на получение основных электродинамических параметров системы: временная диаграмма напряженностей электрического и магнитного поля в точке наблюдения, их амплитудный и фазовый спектры. Особенности работы алгоритма и предложенного метода моделирования объясняются на тривиальном примере осциллирующего электрона. Приводится подробное описание алгоритма. Одной из рассматриваемых особенностей является автоматизированный учет инертности частицы, который приводит к характерному рывку (изменение ускорения) частицы при динамическом моделировании, даже при ее равномерном движении. Эта ситуация объясняется тем, что в начальный момент времени частица принимается покоящейся. Другой важной особенностью является резкое прерывание напряженности электрического поля в момент прерывания моделировании; схожая ситуация наблюдается при запуске процедуры симулирования. Этим объясняется тот факт, что даже для покоящейся частицы возвращаемый спектр является непрерывным и периодическим. Учет и анализ этих особенностей является важной частью предложенного алгоритма. Электродинамические параметры системы выражаются через классическое представление для потенциалов Лиенара – Вихерта. Комплексный спектр является результатом работы быстрого преобразования Фурье. Используемое ядро решателя методом дискретных элементов – MercuryDPM, обработка данных осуществляется в системе компьютерной алгебры Maxima. Подробно описывается структура выходного файла решателя для его более детальной обработки и последующего глубокого анализа. Предложенный алгоритм может эффективно применятся в рамках концепции мультифизического и полномасштабного моделирования.

This paper considers the algorithm for processing dynamic and kinematic data, generated by solving the problem of the single particle motion, by the method of discrete elements. The algorithm is aimed at obtaining the basic electrodynamics system parameters, such as the time diagram of the electric and magnetic field strengths at the observation point, its amplitude and phase spectra. The features of the algorithm and the proposed modeling method are explained on the trivial example of the oscillating electron. One of the considered features is the automated accounting of the particle inertia which leads to a peculiar jerk (change in acceleration) of the particle during dynamic modeling, even when it is moving constantly. Another important feature is the sudden interruption of the electric field strength at the moment of interruption of the simulation; the similar situation is occurred when starting the simulation procedure. This explains the fact that even for the particle at rest, the returned spectrum is continuous and periodic. Accounting and highlighting these features is an important part of the purposed algorithm. The electrodynamics parameters of the system are expressed through the classical notation of the Lienard-Wiechert potentials. The complex spectrum is obtained as a result of the fast Fourier transform. MercuryDPM is the solver engine for the discrete element method implementation. Data processing is carried out in the Maxima computer algebra system. The structure of the output file according to the software specification is described in detail. We use the problem of the charged oscillator as a modeling example.