Phân bố điện tích trên hai quả cầu kim loại đặt gần nhau

Hình 1: Hạt mang điện tích được bố trí đều khắp thể tích mỗi quả cầu
Hình 2: Cấu hình cân bằng ổn định của hệ hạt sau mô phỏng
Hình 3: Cấu hình cân bằng ổn định của hệ hạt sau mô phỏng

 

Video dưới đây ghi lại quá trình mô phỏng với \(1000\) hạt mang điện tích, với \(1\) triệu phép thử Monte-Carlo. Hình ảnh được tăng tốc \(30\) lần so với tính toán thật.

Code chương trình Matlab

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
function E_Field_Spheres_Q1_Q2
% Author: Tran Hai Cat
% Lecturer in Physics, HCM University of Technology and Education
% - Dai hoc Su pham Ky thuat Tp. Ho Chi Minh
% Created: 2019.08.05
clc;
clear variables;
close all;

%% CONST
ke = 1;

%% PARAMETERS:
R1 = 55e-2; % sphere radius
R2 = 55e-2;
x01 = -0.60;
y01 = 0;
z01 = 0;
x02 = 0.60;
y02 = 0;
z02 = 0;

q01 = 1; % charge per particle (left)
q02 = -1; % charge per particle (right)
N1 = 500; % Number of charges on the left sphere
N2 = 500; % Number of charges on the right sphere

ki = 5e5;

Nx = 100;
Ny = 50;

xmin = -2; xmax = 2; ymin = -1; ymax = 1; zmin = -1; zmax = 1;
%% CALCULATION
N = N1+N2;
q = zeros(1,N);
for i = 1:N1
q(i) = q01;
end
for i = N1+1:N
q(i) = q02;
end

x_e = zeros(1,N);
y_e = zeros(1,N);
z_e = zeros(1,N);
i = 0;
while i<N1
x = x01-R1+rand()*2*R1;
y = y01-R1+rand()*2*R1;
z = z01-R1+rand()*2*R1;
r = sqrt((x-x01).^2+(y-y01).^2+(z-z01).^2);
if r<R1
i = i+1;
x_e(i) = x;
y_e(i) = y;
z_e(i) = z;
end
end

while i<N
x = x02-R2+rand()*2*R2;
y = y02-R2+rand()*2*R2;
z = z02-R1+rand()*2*R2;
r = sqrt((x-x02).^2+(y-y02).^2+(z-z01).^2);
if r<R2
i = i+1;
x_e(i) = x;
y_e(i) = y;
z_e(i) = z;
end
end

figure('name','Electric Field','color','black','numbertitle','off');
hold on
% Draw spheres:
[x1, y1, z1] = sphere(24);
radius = R1;
x1 = x1(:)*radius+x01;
y1 = y1(:)*radius+y01;
z1 = z1(:)*radius+z01;
P = [x1 y1 z1];
P = unique(P,'rows');

shp = alphaShape(P,1.5);
plot(shp,'EdgeColor',[0.4 0.4 0.4])

[x1, y1, z1] = sphere(24);
radius = R1;
x1 = x1(:)*radius+x02;
y1 = y1(:)*radius+y02;
z1 = z1(:)*radius+z02;
P = [x1 y1 z1];
P = unique(P,'rows');

shp = alphaShape(P,1.5);
plot(shp,'EdgeColor',[0.4 0.4 0.4])
alpha(0.0);

e_plot = zeros(1,N);
for i = 1:N1
e_plot(i) = plot3(x_e(i),y_e(i),z_e(i),'ro','MarkerSize',2,'Markerfacecolor','r');
end
for i = N1+1:N
e_plot(i) = plot3(x_e(i),y_e(i),z_e(i),'go','MarkerSize',2,'Markerfacecolor','g');
end
xlabel('x [m]','fontsize',14);
ylabel('y [m]','fontsize',14);
% ht = title('Electric field');
set(gca,'fontsize',14,'color','k','xcolor','w','ycolor','w','zcolor','w');
axis([xmin xmax ymin ymax zmin zmax]);
axis equal
view(-30,30);
rotate3d on

dx_max = 1e-2;
dy_max = dx_max;
dz_max = dx_max;
for k = 1:ki
ii = randi([1 N]);
U_old = 0;
for i = 1:N
if i~=ii
dis = sqrt((x_e(ii)-x_e(i)).^2+(y_e(ii)-y_e(i)).^2+(z_e(ii)-z_e(i)).^2);
U_old = U_old+q(ii)*q(i)/dis;
end
end

r = 100;
while ((ii<=N1)&&(r>R1)) || ((ii>N1)&&(r>R2))
x_try = x_e(ii)-dx_max+rand()*2*dx_max;
y_try = y_e(ii)-dy_max+rand()*2*dy_max;
z_try = z_e(ii)-dz_max+rand()*2*dz_max;
if ii<=N1
r = sqrt((x_try-x01).^2+(y_try-y01).^2+(z_try-z01).^2);
else
r = sqrt((x_try-x02).^2+(y_try-y02).^2+(z_try-z02).^2);
end
end

U_new = 0;
for i = 1:N
if i~=ii
dis = sqrt((x_try-x_e(i)).^2+(y_try-y_e(i)).^2++(z_try-z_e(i)).^2);
U_new = U_new+q(ii)*q(i)/dis;
end
end

if U_new<U_old
x_e(ii) = x_try;
y_e(ii) = y_try;
z_e(ii) = z_try;

set(e_plot(ii),'xdata',x_try,'ydata',y_try,'zdata',z_try);
% set(ht,'string',sprintf('%0.0f',k));
fprintf('k=%d\n',k);
pause(0.002);
clc
end

end

x = linspace(xmin,xmax,Nx);
y = linspace(ymin,ymax,Ny);
V = zeros(Nx,Ny); % Potential (Voltage) matrix
for i=1:Nx
for j=1:Ny
V(i,j) = 0;
for k = 1:N
dis = sqrt((x(i)-x_e(k)).^2+(y(j)-y_e(k)).^2+z_e(k).^2);
V(i,j) = V(i,j)+ke*q(k)/dis;
end
end
end
% Take transpose for proper x-y orientation
V = V';
[Ex,Ey]=gradient(V);
Ex = -Ex;
Ey = -Ey;
E = sqrt(Ex.^2+Ey.^2);

%% FIGURES:
figure('name','Electric Field Magnitude','color','w','numbertitle','off');
hold on
pcolor(x,y,E)
axis image
shading interp;
colormap jet
xlabel('x [m]','fontsize',14);
ylabel('y [m]','fontsize',14);
title('Electric Field Magnitude');
set(gca,'fontsize',14);
axis equal

figure('name','Electric Field Magnitude','color','w','numbertitle','off');
hold on
pcolor(x,y,E)
axis image
shading interp;
colormap hot
xlabel('x [m]','fontsize',14);
ylabel('y [m]','fontsize',14);
title('Electric Field Magnitude');
set(gca,'fontsize',14);
axis equal

figure('name','Electric Field and Potential distribution','color','w','numbertitle','off');
pcolor(x,y,V)
axis image
shading interp;
colormap jet
hold on,
quiver(x,y,Ex,Ey,2)
colorbar('location','eastoutside','fontsize',14);
xlabel('x [m]','fontsize',14);
ylabel('y [m]','fontsize',14);
title('Electric field and Potential distribution');
set(gca,'fontsize',14);
axis equal