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Datei:Ironfilings loopcurrent.svg

Aus MOOCsWiki Staging
Originaldatei (SVG-Datei, Basisgröße: 600 × 600 Pixel, Dateigröße: 219 KB)

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Beschreibung

Beschreibung
English: Magnetic fields can be visualized with iron filings, that align along the magnetic field direction. Here the magnetic field of a current in a circular conductor loop was accurately computed, and the field is shown with simulated randomly placed iron filings. The density of filings is also proportional to the field strength. The field is strongest near the conductor.
Datum
Quelle Eigenes Werk
Urheber Geek3
SVG‑Erstellung
InfoField
 Der SVG-Code ist valide.
 Diese Vektorgrafik wurde mit Python erstellt.
Quelltext
InfoField

Python code

Python svgwrite code
#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf8 -*-

try:
    import svgwrite
except ImportError:
    print('requires svgwrite library: https://pypi.org/project/svgwrite/')
    # documentation at https://svgwrite.readthedocs.io/
    exit(1)


import numpy as np
import random
from scipy.integrate import solve_ivp
from scipy.optimize import minimize
from scipy.special import ellipk, ellipe
from math import *


name = 'Ironfilings_loopcurrent'
size = 600, 600
loops = [{'p_in':[120, 0], 'p_out':[-120, 0], 'I':1.}]
n_filings = 2500
l_filings = 24

D = 24 # ring thickness
D2 = 4
tilt = 0.25


def vnorm(x):
    return x / hypot(*x)


def rot(xy, phi):
    s, c = sin(phi), cos(phi)
    return np.array([c * xy[0] - s * xy[1], c * xy[1] + s * xy[0] ])


def inside(p, w2, h2):
    return fabs(p[0]) <= w2 and fabs(p[1]) <= h2


def Bfield_ringcurrent(xy, p_in, p_out, I):
    '''
    p_in: position where the loop current goes into the plane
    p_out: position where the loop current comes out of the plane
    I: current
    '''
    p_c = (np.array(p_in) + np.array(p_out)) / 2
    Rvec = np.array(p_in) - p_c
    R = hypot(*Rvec)
    phi = atan2(Rvec[1], Rvec[0])
    xyrel = xy - p_c
    # change into a new coordinate system with z and r aligned to the ring
    r, z = rot(xyrel, -phi)
    rplus = (r + R)**2 + z*z
    rminus = (r - R)**2 + z*z
    dplus = R*R + r*r + z*z
    dminus =  R*R - r*r - z*z
    
    if (fabs(rplus) < 1e-14 or fabs(rminus) < 1e-14):
        # constrain maximum field near conductor
        Fz = 1e7
        Fr = 0.
    else:
        # Integrate the Biot-Savart law using elliptic integrals:
        kk = 4 * r * R / rplus
        elle = ellipe(kk)
        ellk = ellipk(kk)
        
        Fz = (dminus / rminus * elle + ellk) / sqrt(rplus)
        
        if fabs(r) < 1e-4 * (R + z*z / R):
            # elliptic integral formula is unstable near r=0, use Taylor series
            Fr = 1.5 * pi * r * z * R*R / sqrt(R*R + z*z)**5
        else:
            Fr = z / r * (dplus / rminus * elle - ellk) / sqrt(rplus)

    # backtransform
    return rot([Fr, Fz], phi) * I / (2*pi)


def Bfield(xy):
    return np.sum([Bfield_ringcurrent(xy,
        l['p_in'], l['p_out'], l['I']) for l in loops], axis=0)


def bezier(field, p, l):
    # returns control points of a Bezier curve approximating the Bfield at p
    f = lambda t, xy: vnorm(field(xy))
    p2, p0 = solve_ivp(f, (0, -l/2), p, t_eval=[-l/4, -l/2]).y.T
    p3, p1 = solve_ivp(f, (0, l/2), p, t_eval=[l/4, l/2]).y.T
    v0 = vnorm(field(p0))
    v1 = vnorm(field(p1))
    
    if hypot(*(v1 - v0)) < 0.01:
        l0, l1 = l/3, l/3
    else:
        def err(x):
            l0, l1, t2, t4, t3 = x
            dist = 0.
            for t, pref in ((t2, p2), (t4, p), (t3, p3)):
                pc = (1-t)**3 * p0 + 3*(1-t)**2*t * (p0+l0*v0) + 3*(1-t)*t**2 * (p1-l1*v1) + t**3 * p1
                dist += hypot(*(pc - pref))**2
            return dist
        
        l0, l1 = minimize(err, [l/3., l/3., 0.25, 0.5, 0.75],
            bounds=((0, l), (0, l), (0, 1), (0, 1), (0, 1))).x[:2]
    
    p0c = p0 + v0 * l0
    p1c = p1 - v1 * l1
    
    return [p0, p0c, p1c, p1]


doc = svgwrite.Drawing(name + '.svg', profile='full', size=size)
doc.set_desc(name, 'https://commons.wikimedia.org/wiki/File:' + name + '.svg\n'
    'rights: Creative Commons Attribution ShareAlike license')
clip = doc.defs.add(doc.clipPath(id='image_clip'))
clip.add(doc.rect(insert=(-size[0]/2., -size[1]/2.), size=size))
doc.add(doc.rect(id='background', insert=(0, 0), size=size, fill='#ffffff', stroke='none'))
img = doc.add(doc.g(id='image', clip_path='url(#image_clip)',
    transform='translate({:.0f}, {:.0f}) scale(1,-1)'.format(size[0]/2., size[1]/2.)))
filings = doc.g(id='iron-filings', fill='none', stroke='black',
    stroke_width=2, stroke_linecap='round')
back = img.add(doc.g(id='back'))
img.add(filings)
front = img.add(doc.g(id='front'))

Bmax = 2 * hypot(*Bfield([2,0]))

i_filings = 0
while i_filings < n_filings:
    x = random.uniform(-size[0]/2. - l_filings/2., size[0]/2. + l_filings/2.)
    y = random.uniform(-size[1]/2. - l_filings/2., size[1]/2. + l_filings/2.)
    l = random.uniform(l_filings*0.5, l_filings*1.0)
    
    B = Bfield([x, y])
    
    Brel = hypot(*B) / Bmax
    line_density = Brel**(2/3)
    line_width = 2.7 * Brel**(1/3)
    
    # use rejection sampling to reproduce field line density
    if random.random() >= line_density:
        continue
    
    points = bezier(Bfield, [x, y], l)
    
    if all([any([hypot(*(np.array(p)-l['p_in'])) < D/2 or hypot(*(np.array(p)-
        l['p_out'])) < D/2 for l in loops]) for p in [[x, y], points[0], points[-1]]]):
        continue
    if all([not inside(p, size[0]/2., size[1]/2.) for p in [[x, y], points[0], points[-1]]]):
        continue
    
    filings.add(doc.path(
        d='M {:.1f},{:.1f} C {:.1f},{:.1f} {:.1f},{:.1f} {:.1f},{:.1f}'.format(
        *points[0], *points[1], *points[2], *points[3]),
        stroke_width='{:.1f}'.format(line_width)))
    i_filings += 1
    print(i_filings, end=' ', flush=True)


# draw the loop

for il, l in enumerate(loops):
    m = (np.array(l['p_in']) + np.array(l['p_out'])) / 2.
    r = hypot(*(np.array(l['p_in']) - np.array(l['p_out']))) / 2.
    a = degrees(atan2(l['p_in'][1] - l['p_out'][1], l['p_in'][0] - l['p_out'][0]))
    mask_back = back.add(doc.mask(id="ring-back-mask"+str(il)))
    ring_back = back.add(doc.g(transform="translate({},{}) rotate({})".format(*m, a)))
    mask_front = front.add(doc.mask(id="ring-front-mask"+str(il)))
    mask_contour = front.add(doc.mask(id="ring-contour-mask"+str(il)))
    ring_front = front.add(doc.g(transform="translate({},{}) rotate({})".format(*m, a)))
    
    d = 'M {},0 A {},{} 0 1 0 {},0'.format(-r, r, tilt*r, r)
    ring_back.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='#000000', stroke_width=D+2*D2,
        stroke_linecap='round'))
    ring_back.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='#999999', stroke_width=D))
    mask_back.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='white', stroke_width=D))
    
    mask_contour.add(doc.circle(center=(0,0), r=r+D+D2, fill='white',stroke='none'))
    mask_contour.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='black', stroke_width=D))
    
    d = 'M {},0 A {},{} 0 1 1 {},0'.format(-r, r, tilt*r, r)
    ring_front.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='#000000', stroke_width=D+2*D2,
        mask="url(#ring-contour-mask"+str(il)+")"))
    ring_front.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='#999999', stroke_width=D,
        stroke_linecap='round'))
    mask_front.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='white', stroke_width=D,
        stroke_linecap='round'))
    
    r2 = r*(tilt*r+D/2)/(tilt*r)
    r3 = r*(tilt*r+D/2+D/2*r)/(tilt*r)
    grad1 = doc.defs.add(doc.radialGradient(id='grad1_'+str(il), r=r2,
        center=(0, 0), gradientUnits='userSpaceOnUse'))
    for of, c, op in (((tilt*r-D/2)/(tilt*r+D/2), '#666666', 1),
            ((tilt*r)/(tilt*r+D/2), '#aaaaaa', 1), (1, '#666666', 1)):
        grad1.add_stop_color(of, c, op)
    grad2 = doc.defs.add(doc.radialGradient(id='grad2_'+str(il), r=r,
        center=(0, 0), gradientUnits='userSpaceOnUse'))
    for of, c, op in ((0., '#ffffff', 0.8), (0.3, '#ffffff', 0.4), (1, '#ffffff', 0)):
        grad2.add_stop_color(of, c, op)
    
    g_back = ring_back.add(doc.g(mask="url(#ring-back-mask"+str(il)+")"))
    g_back.add(doc.rect(insert=(-r3, -r3), size=(2*r3, 2*r3), 
        fill='url(#grad1_'+str(il)+')', transform="translate(0,{}) scale(1, {})".format(0.25*D, tilt)))
    g_back.add(doc.circle(center=(0, 0), r=r, fill='url(#grad2_'+str(il)+')',
        transform="translate({},{}) rotate(-6) scale(1, 0.12)".format(0.4*r, tilt*sqrt(.84)*r+.25*D)))
    g_front = ring_front.add(doc.g(mask="url(#ring-front-mask"+str(il)+")"))
    g_front.add(doc.rect(insert=(-r3, -r3), size=(2*r3, 2*r3),
        fill='url(#grad1_'+str(il)+')', transform="translate(0,{}) scale(1, {})".format(0.25*D, tilt)))
    g_front.add(doc.circle(center=(0, 0), r=r, fill='url(#grad2_'+str(il)+')',
        transform="translate({},{}) rotate(-6) scale(1, 0.12)".format(-0.4*r, -tilt*sqrt(.84)*r+.25*D)))
    
    marker = doc.defs.add(doc.marker(id="arrow", insert=(1,1.5), size=(5,3), orient="auto"))
    marker.add(doc.path(id="arrow", stroke="none", fill="#000000",
        d="M 4,1.5 L 0,3 L 0,0 L 4,1.5 Z"))
    a2 = copysign(0.22, l['I'])
    d = 'M {},{} A {},{} 0 0 {} {},{}'.format(
        -r*sin(a2), -tilt*r*cos(a2), r, tilt*r,
        {True:1, False:0}[l['I']>0], r*sin(a2), -tilt*r*cos(a2))
    line = ring_front.add(doc.path(d=d, fill='none', stroke='#000000', stroke_width=5))
    line.set_markers((None, False, marker))

doc.save(pretty=True)

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Ergänze eine einzeilige Erklärung, was diese Datei darstellt.
Computed image of iron filings along the magnetic field of a circular loop

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