Computational "non-local" electrodynamics

The classical theory of electrodynamics, represented by differential operators, describes the "local" dependence between electric and magnetic fields at every location in spacetime. Using the FDTD technique, the discretized version of Maxwell's equations uses central difference approx...

Full description

Autores:
Giraldo Carvajal, Juan Carlos
Tipo de recurso:
Doctoral thesis
Fecha de publicación:
2020
Institución:
Universidad de los Andes
Repositorio:
Séneca: repositorio Uniandes
Idioma:
eng
OAI Identifier:
oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/48397
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/1992/48397
Palabra clave:
Electrodinámica - Investigaciones
Ecuaciones de Maxwell - Investigaciones
Teselados (Matemáticas)
Complejidad computacional - Investigaciones
Espacio y tiempo - Investigaciones
Ingeniería
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description The classical theory of electrodynamics, represented by differential operators, describes the "local" dependence between electric and magnetic fields at every location in spacetime. Using the FDTD technique, the discretized version of Maxwell's equations uses central difference approximations for the numerical derivatives in space and time. This dissertation thesis presents a novel time-symmetrical "non-local" technique to solve the wave equation through the formalism of the electromagnetic potential. When the symmetric contribution over time is identified from the wave equation, the resulting formulation is more straightforward, time-symmetric, and "non-local". An algorithm was proposed in which the computational domain is tessellated in the form of diamonds where the potentials are located along characteristic surfaces. From them, the solutions on other characteristic surfaces are computed "non-locally". In the proposed case study, the "non-local" proposal is 1643 faster than FDTD, that is, more than three orders of magnitude, and uses a time-step that is 4096 times greater than the Courant-Friedrichs-Lewy limit without encountering instability problems. The performance gain is proportional to the size of the spacetime tessellations since the "domain-to-boundary" ratio increases when the domain's extension does. Consequently, this novel "non-local" approach reduces computational complexity, and it provides a more comprehensive explanation of its fundamental physical aspects, without contradicting the principles of the successful classical and "local" field theory. Based on this time-symmetrical "non-local" approach, a formulation of the mean value theorem for time-varying electromagnetic potentials applied to electrodynamics is proposed
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Using the FDTD technique, the discretized version of Maxwell's equations uses central difference approximations for the numerical derivatives in space and time. This dissertation thesis presents a novel time-symmetrical "non-local" technique to solve the wave equation through the formalism of the electromagnetic potential. When the symmetric contribution over time is identified from the wave equation, the resulting formulation is more straightforward, time-symmetric, and "non-local". An algorithm was proposed in which the computational domain is tessellated in the form of diamonds where the potentials are located along characteristic surfaces. From them, the solutions on other characteristic surfaces are computed "non-locally". In the proposed case study, the "non-local" proposal is 1643 faster than FDTD, that is, more than three orders of magnitude, and uses a time-step that is 4096 times greater than the Courant-Friedrichs-Lewy limit without encountering instability problems. The performance gain is proportional to the size of the spacetime tessellations since the "domain-to-boundary" ratio increases when the domain's extension does. Consequently, this novel "non-local" approach reduces computational complexity, and it provides a more comprehensive explanation of its fundamental physical aspects, without contradicting the principles of the successful classical and "local" field theory. Based on this time-symmetrical "non-local" approach, a formulation of the mean value theorem for time-varying electromagnetic potentials applied to electrodynamics is proposedLa teoría clásica de la electrodinámica, representada mediante operadores diferenciales, describe la dependencia "local" entre los campos eléctricos y magnéticos en cada ubicación del espacio-tiempo. Mediante el uso de la técnica de FDTD, la versión discretizada de las ecuaciones de Maxwell utiliza aproximaciones de diferencia central para las derivadas numéricas en el espacio y el tiempo. Esta tesis presenta una novedosa técnica numérica "no-local" simétrica en el tiempo para solucionar la ecuación de onda mediante el formalismo del potencial electromagnético. Cuando se identifica de la ecuación de onda la contribución simétrica en el tiempo, la formulación resultante no solo es más sencilla, sino que también es simétrica en el tiempo y es "no-local". Se propuso un algoritmo en el que el dominio computacional se tesela en forma de diamantes causales donde los potenciales electromagnéticos se ubican a lo largo de las rectas características y, a partir de ellos, las soluciones en otras rectas características se calculan de manera "no-local". En el caso de estudio propuesto, la propuesta "no-local" es 1643 veces más rápida que la solución FDTD, es decir, más de tres órdenes de magnitud, y utiliza un paso de tiempo que es 4096 veces mayor que el límite de Courant-Friedrichs-Lewy sin encontrar problemas de inestabilidad. La mejora de desempeño es proporcional al tamaño de las teselaciones de espacio-tiempo, ya que la razón "dominio a frontera" aumenta cuando la extensión del dominio lo hace. En consecuencia, este novedoso enfoque "no-local" reduce la complejidad computacional y proporciona una explicación más comprensiva de sus aspectos físicos fundamentales, sin contradecir los principios de la exitosa teoría clásica y "local" de campos electromagnéticos. A partir de este enfoque "no-local" simétrico en el tiempo, se propone una formulación del teorema del valor medio para potenciales electromagnéticos variables en el tiempo aplicados a la electrodinámicaDoctor en IngenieríaDoctorado157 hojasapplication/pdfengUniandesDoctorado en IngenieríaFacultad de Ingenieríainstname:Universidad de los Andesreponame:Repositorio Institucional SénecaComputational "non-local" electrodynamicsTrabajo de grado - Doctoradoinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TDElectrodinámica - InvestigacionesEcuaciones de Maxwell - InvestigacionesTeselados (Matemáticas)Complejidad computacional - InvestigacionesEspacio y tiempo - InvestigacionesIngenieríaPublicationTEXTu833497.pdf.txtu833497.pdf.txtExtracted texttext/plain321190https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/e5edf706-fcc7-42e5-9e10-864c5da69445/download1f4bd86eb8e4a36389c89e5afb2d8109MD54THUMBNAILu833497.pdf.jpgu833497.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8509https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/e9f2ca77-0f1f-489b-aa5c-5aaef217b4f7/download4fb6897380972555565b09cecd075333MD55ORIGINALu833497.pdfapplication/pdf8255904https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/c8bffc71-13ef-43f2-bc50-b8e7d3bec8b5/download3a0fabe558154a48de1aedd68c6caa07MD511992/48397oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/483972023-10-10 15:28:01.482https://repositorio.uniandes.edu.co/static/pdf/aceptacion_uso_es.pdfopen.accesshttps://repositorio.uniandes.edu.coRepositorio institucional Sénecaadminrepositorio@uniandes.edu.co