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MATLAB과 퀵필드(QuickField)를 이용한『응용 전자기학』. 전자기학 과정의 교재 또는 연습하는 엔지니어를 위한 교재로, 전기장과 자기장을 가시화하고 이로 인해 생성되는 힘, 전하, 전류 분포를 계산하는 데 퀵필드와 MATLAB을 이용하였다. 이를 통해 전기적 자극을 가하는 생체 조직의 전류, 초전도체 자기장 차폐, Monte Calro 법, 회로 등의 현실적인 문제의 모델과 실험을 통해서 전자기학을 생생하게 전달하고자 한다.

이 책 “MATLAB과 Quick Field을 이용한 전자기학”은 컴퓨터를 이용하는 전기학, 자기학, 다중물리학(multiphysics)을 소개하는 수준의 교재로 만들어졌다. 이 책은 물리와 공학의 상위 그룹의 학부생들 그리고 대학원생들을 대상으로 하고 있다. 전형적인 소개 수준의 물리학 코스에 퀵필드와 MATLAB을 이용하는 많은 연습문제와 예제를 보이고 있다. 대학원 수준의 독자는 유한 요소법 또는 퍼텐셜 이론을 모르더라도 전기장과 자장, 전기력과 자력의 분포를 가시화 할 수 있게 된다.
퀵필드(QuickField)는 윈도우 운영체제에서 실행되는 유한 요소법(Finite Element Method, FEM) 소프트웨어로 전기학, 직류와 교류의 전도, 정자기학, 교류와 과도 자기학, 정상상태 및 과도 열 전달 그리고 응력 해석과 같은 형태의 문제를 풀이할 수 있다. 모델은 ‘point-and-click’ 기능을 이용해서 만들 수 있으며 물성과 경계조건을 지정할 수 있다. 자동 그물눈(mesh) 생성과 후처리 공정은 빠르며 사용하기 편리하다. 이 교재의 대부분의 문제들은 모델을 만들었다면 몇 초 안에 결과가 표시된다.

이 교재에는 이 책에 나오는 모든 문제를 풀어 볼 수 있는 학생판 소프트웨어가 들어 있는 CD와 함께 제공된다. 추가적인 예제는 소프트웨어에 포함되어 있다. 학생판 소프트웨어는 Tera Analysis의 홈페이지인 www.quickfield.com에서도 받을 수 있다. 이 웹 사이트에서는 사용자 설명서를 받을 수 있으며 설명 비디오들도 볼 수 있다.

들어가며

1. 수학적 기본 지식들
1.1 벡터 해석
벡터의 덧셈
내적
외적
벡터 삼중곱
1.2 벡터의 도함수
스칼라 필드의 기울기
벡터 필드의 발산
벡터 필드의 회전
1.3 스칼라 라플라시안
직각 좌표
원기둥 좌표
쌍원주 좌표
타원주 좌표
구면 좌표
편구면 좌표
장구면 좌표
환상 좌표
1.4 벡터 라플라시안
1.5 적분 정리들
발산 정리
스토크의 정리
기울기의 정리
1.6 적분 변환
라플라스 변환
라플라스 역변환
전류, 열, 응력이 결합된 경우의 분석에 변환
고속 푸리에 변환
1.7 디락 델타 함수
1.8 특수 함수들
베셀 함수
변형된 베셀 함수
에어리 함수
연습문제

2. 라플라스 방정식의 해법
2.1 변수 분리
직교 좌표
원기둥 좌표
쌍원주 좌표
타원주 좌표
구면 좌표
장구면 좌표
편구면 좌표
환상 좌표
2.2 등각 사상
2.3 유한 차분법
2.4 몬테 카를로법
2.5 유한 요소법
연습문제

3. 퀵필드살펴보기
3.1 퀵필드란 무엇인가?
3.2 퀵필드의 기본 구성
3.3 문제의 유형과 특성의 지정
3.4 모델 생성
3.5 문제 풀이와 후처리
3.6 정전기학 시뮬레이션
3.7 정자기학 시뮬레이션
연습문제

4. 정전기학
4.1 쿨롱의 법칙과 중첩의 원리
4.2 전기 선속과 가우스의 법칙
전기 선속
가우스의 법칙
가우스의 법칙을 이용한 전기장의 계산
전기장의 발산
4.3 전위
델타 함수 전위 분포
4.4 퀵필드를 이용한 정전기의 계산
경계 조건들
물성들
꼭지점 조건들
균일 전기장과 쌍극 소스
적분량
유전체 내의 원뿔형 공동 안의 점 전하
전도성 판의 원형 구멍을 꿰는 충전된 자침
4.5 전기 용량의 계산
4.6 정적 자기장 내에서의 충전된 입자의 거동
연습문제

5. 정자기학
5.1 비오 사바르 법칙
5.2 앙페르의 법칙
5.3 자기장을 위한 가우스의 법칙
5.4 자기 스칼라 퍼텐셜
구형의 영구 자석
5.5 자기 벡터 퍼텐셜
5.6 퀵필드 정자기학 해석
자기 물성
경계 조건들
꼭지점 조건들
5.7 인덕턴스의 계산
5.8 균일 자기장
x-y 대칭에서의 균일 장
축 대칭에서의 균일 장
5.9 쌍극 소스
선 전류 소스의 모델링
전류 쌍극자
전류 밀도
자기 쌍극
5.10 차폐의 응용
5.11 자기 단극
연습문제

6. 시간 조화 자기학
6.1 패러데이의 법칙과 막스웰의 변위 전류
6.2 시간 조화 막스웰 방정식
전도 반공간 위의 전류판
6.3 벡터 퍼텐셜의 공식화
전도 반공간 위의 원형 코일
전도성 구체 위의 원형 코일
6.4 퀵필드를 이용한 시간 조화 해석
경계 조건들
물성들
적분량들
인덕턴스의 계산
전도성 구체 내부의 전류 루프
파이프를 검사할 때 결함으로 인한 자기장과 코일의 임피던스의 변화
파이프 검사
6.6 금속 탐지기
6.7 지구 물리에의 응용
마그네토텔루릭스
전자유도 검층
6.8 변압기의 응용
연습 문제

7. 과도 자기학
7.1 시간 종속 막스웰 방정식
전류가 통하는 반공간 위의 전류 판
7.2 유한 차분 시간 영역법
속이 빈 원기둥 내부의 장
공진 주파수
7.3 벡터 퍼텐셜의 수식화
전도성 반공간 위의 원형 코일
7.4 MATLAB에서 시간 종속 자장문제
적분량
물성과 경계조건들
시간 종속 양들
전도성 평면 위의 전류 박판
전도성 구체를 감싸는 전류 루프
7.5 펄스 맴돌이 전류를 이용한 비파괴 검사
7.6 단극원 소스를 가지는 막스웰 방정식
전기장과 자장이 교차되는 곳에서의 단극의 이동
연습문제

8. 초전도체
8.1 이론적 배경
초전도체의 모델링
8.2 런던의 이론과 마이스너 효과
8.3 선속 양자화
8.4 제 1종, 제 2종 초전도체
8.5 초전도체의 구조와 경계 조건
구조의 영향
비선형 초전도체
경계 조건들
초전류 밀도 계산
그물망에 필요한 사항들
8.6 초전도 판
초전도 띠
초전도 디스크
8.7 속이 빈 초전도체 껍질
영자기 냉각
선속 가둠
초전도 고리
초전도 관
8.8 층으로 된 초전도체와 투자성의 차폐
초전도체와 고 투과성 금속의 샌드위치
8.9 제 2종 초전도체의 모델링
연습문제

9. 직류 전도 해석
9.1 직류의 전류 흐름 이론
9.2 퀵필드를 이용한 직류 전도의 해석
경계 조건들
물성들
꼭지점 조건들
9.3 대체 에너지 분야에의 응용
배터리
연료전지
9.4 비저항 측정
9.5 인쇄 회로 기판
연습문제

10. 교류 전류의 흐름
10.1 이론적 배경
10.2 퀵필드를 이용한 교류 전도 해석
적분량
물성
경계조건들
꼭지점 조건들
10.3 생체 물리에의 응용
유효 전도율과 유전율의 측정
조직 내의 부유 상태의 세포의 유전 분광학
변하는 전기장 안의 세포 기관
구형의 미토콘드리아 모델
복잡한 구조의 미토콘드리아
반복적인 구조의 미토콘드리아
연습문제

11. 열분석
11.1 열 방정식
11.2 정상상태 열흐름
반무한 평판에서의 온도 분포
원판에서의 온도 분포
등각 변환
11.3 과도 열전달
11.4 퀵필드를 이용한 열분석
물성들
경계조건
꼭지점 조건
계산 값
구에서의 정상상태 열흐름
실린더에서의 과도 열흐름
11.5 시간에 따라 변하는 자성과 열전달 문제의 결합
종양학의 발열요법 모델링
11.6 전류흐름과 열전달 문제의 결합
연료전지 스택의 온도분포
열린 회로 모드의 연료전지
부하가 없는 연료전지
연습문제

12. 응력 분석
12.1 응력과 변형
영률
푸아송의 비
12.2 빔
12.3 퀵필드를 이용한 스트레스 해석
X-Y 대칭
축 대칭
열변형
물질의 특성과 부하 소스
경계조건
꼭지점 조건
계산 값
적분 값
균열 주변의 응력분포
12.4 열과 스트레스가 결합된 경우의 해석
우주 캡슐 시뮬레이션
발사 중지 시스템
대기권 재진입
12.5 전기력이 있는 경우의 응력 분석
12.6 자기력이 있는 경우의 응력 분석
12.7 전류, 열, 응력이 결합된 경우의 분석
연습문제

13. 전기회로
13.1 전류의 흐름과 옴의 법칙
13.2 키르히호프의 법칙
13.3 직렬 또는 병렬로 연결된 저항
13.4 직렬 또는 병렬로 연결된 전기용량
13.5 교류 회로의 임피던스
13.6 전기회로에서의 과도 전류
RL 회로
LC 회로
RLC 회로
다중루프 회로
13.7 퀵필드를 이용한 전기 회로의 모델링
회로구성하기
레이블 무버 사용하기
13.8 필터 응용
13.9 생체 시스템의 모델링
전기적 자극에 대한 뉴런의 수동 응답 모델링
디바이 완화 모델
막스웰 바그너 모델
피부 임피던스 모델
전극의 분극 모델링
추아의 혼돈 회로
연습문제

부록 1. MATLAB? 살펴보기
부록 2. 펄스 함수와 주기 함수들의 라플라스 변환
부록 3 등각 사상
부록 4. 공학 물성
부록 5. 생체 물성