Utilizzando calcoli approssimati alle equazioni di Maxwell e alla legge di Faraday, le simulazioni elettromagnetiche sono modelli dell’elettromagnetismo e dei loro effetti sull’ambiente e sulle strutture fisiche che li circondano. Una simulazione elettromagnetica può essere utilizzata per puntare un’antenna satellitare nella giusta direzione per ottenere i massimi canali e chiarezza e giudicare le sue prestazioni o per determinare la propagazione delle onde quando non si trova nello spazio libero. Queste simulazioni possono aiutare nella progettazione efficiente di chip per computer e indicare come migliorare le prestazioni nei principali componenti elettronici individuando le incompatibilità dei componenti al loro interno. La radiazione elettromagnetica che viene raccolta e diffusa e quindi assorbita da piccole particelle viene utilizzata nelle simulazioni per progetti scientifici presso i laboratori dell’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) per i loro progetti di acceleratori di particelle. I programmi di simulazione elettromagnetica vengono utilizzati anche come strumenti nei laboratori di fisica universitari per insegnare in modo più efficace poiché gli studenti ricevono esperienza pratica con la risoluzione dei problemi utilizzandoli.
Risolvere le equazioni di Maxwell in ogni punto in una griglia ortogonale o non ortogonale è una delle strade per utilizzare le griglie per discretizzare lo spazio creando un rilievo topologico dello spazio. Risolvere queste equazioni in una simulazione elettromagnetica spesso rivela problemi nella memoria e nell’alimentazione del computer poiché di solito possono essere eseguiti solo sui supercomputer effettuando il time-step per ogni istante di tempo in un intero dominio, risolvendo le equazioni di Maxwell mentre vanno o split-step usando iterazioni temporali e trasformate veloci di Fourier. Nella meccanica dei fluidi, il metodo del contorno o “metodo dei momenti” (MoM) può essere applicato per risolvere problemi di ingegneria, acustica ed elettromagnetismo. Questo concentra i calcoli solo sulle aree di confine di uno spazio piuttosto che sui valori del volume ad ogni passo temporale dell’intero spazio.
Un forno a microonde da cucina è analogo a ciò che è noto come gabbia di Faraday, che illustra come un modello di simulazione elettromagnetica potrebbe essere utile nella protezione elettromagnetica. Le correnti elettriche possono essere bloccate da pareti metalliche o altri dispositivi di schermatura simili, mentre le correnti magnetiche possono semplicemente essere spostate attorno all’ostruzione. Nella gabbia di Faraday, quando le pareti della gabbia sono messe a terra, il percorso di una corrente elettrica è disturbato da elettroni che agiscono come portatori di carica elettrica in uno schema a maglie e compensano il campo; questo fa sì che la corrente elettrica si disperda. Proprio come lo schermo a rete sulla parte anteriore di una porta a microonde impedisce alle microonde di fuoriuscire dal dispositivo perché le microonde sono più grandi dei minuscoli fori nella rete, una simulazione di rete elettromagnetica può progettare una buona schermatura protettiva dalle correnti elettriche.
Un metodo di simulazione elettromagnetica che risolve le equazioni di Maxwell passando attraverso un campo elettrico per un istante e poi attraversando un campo magnetico per l’istante successivo e alternando ripetutamente più e più volte è noto come metodo del dominio del tempo a differenze finite (FDTD) per produrre simulazioni. L’interazione delle onde EM con i problemi di ingegneria delle strutture dei materiali è stata risolta con questo metodo più di ogni altro negli Stati Uniti dal 1990 circa. Viene utilizzato per risolvere le tecnologie di firma radar, le tecnologie wireless e l’imaging biomedico, solo per citarne alcuni degli usi applicabili .
La modellazione ondulatoria per la simulazione elettromagnetica e l’analisi dei circuiti può essere eseguita utilizzando il metodo di modellazione tridimensionale (3D) a onda intera del circuito equivalente a elementi parziali (PEEC). Le equazioni integrali sono interpretate come la legge della tensione di Kirchhoff e, utilizzando PEEC, vengono applicate a una cella PEEC che fornisce la soluzione delle geometrie 3D di un circuito completo, consentendo il collegamento di circuiti aggiuntivi al progetto in corrente continua. L’utilizzo di modelli come questo nella simulazione elettromagnetica consente di risparmiare tempo e denaro nella produzione di circuiti integrati.
I dipartimenti di fisica dei college stanno iniziando a fare uso di videogiochi progettati per dare lezioni agli studenti tramite simulazione elettromagnetica per rappresentare visivamente agli studenti i fenomeni delle rappresentazioni fisiche. Questo può aiutare gli studenti ad acquisire una migliore comprensione dei concetti e offrire ai loro cervelli esperienze che rivelano loro debolezze nella loro stessa comprensione e i passi da compiere per rafforzarli. Sia gli studenti che gli istruttori hanno scoperto che un apprendimento più rapido e approfondito può essere facilitato utilizzando esempi reali di risoluzione di concetti di fisica mediante software di simulazione elettromagnetica.