Файл: Содержание введение 3 глава основы теории и вопросы моделирования.docx

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

1. 
   1.1. Электрическое поле 6
   
2. 
   1.2. Напряженность электрического поля 11
   
3. 
   1.3. Диполь 13
   
4. 
   1.4. Моделирование электрического поля 16
   
5. 
   1.5. Потенциал 18
   

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 2.1. Магнетизм 21

1. 
   2.2. Принцип суперпозиции электрического поля 22
   
2. 
   2.3. Cиловые линии магнитного поля 23
   
3. 
   2.4. Магнитная проницаемость 26
   
4. 
   2.5. Моделирование магнитного поля 26
   

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 33

ПРИЛОЖЕНИЕ 34

ВВЕДЕНИЕ

Электрическое поле – это одна из двух составляющих электрической энергии. И как оказалось, научно-технический прогресс невозможен без электрификации всех отраслей народного хозяйства. Потребности народного хозяйства в электрической энергии непрерывно растут, что приводит к увеличению ее производства.

Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель, описывающую значение величины напряженности электрического поля в дан- ной точке пространства. Дуглас Джанколи писал так: "Следует подчеркнуть, что поле не является некой разновидностью вещества; правильнее сказать, это чрезвычайно полезная концепция… Вопрос о «реальности» и существовании электрического поля на самом деле — это философский, скорее даже метафизический вопрос. В физике представление о поле оказалось чрезвычайно полезным — это одно из величайших достижений человеческого разума".

Электронные приборы составляют основу важнейших средств современной связи, автоматики, измерительной техники. Они помогают проникнуть в тайны микромира и космоса, измерить электрические потенциалы живой клетки и атомарные шероховатости обрабатываемой поверхности. Эти приборы преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию, питающую спутники.

---

На основе электроники реален переход к полностью автоматизированному производству. Уже сейчас широко применяются станки с числовым программным управлением и промышленные роботы.

Перевод цифровой вычислительной техники на электронную, а затем и микроэлектронную базу открыл перспективы дальнейшей автоматизации процессов управления вплоть до создания автоматов, наделенных элементами интеллекта.

Особо следует отметить существенное удобство применения электрической энергии при автоматизации производственных процессов, благодаря точности и чувствительности электрических методов контроля и управления. Использование электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать почти все технологические процессы в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях. Кроме того, электрическую энергию широко используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов, сварки, электролиза, получения плазмы, новых материалов с помощью электрохимии, очистки материалов и газов и т. д.

В настоящее время электрическая энергия является практически единственным видом энергии для искусственного освещения. Можно сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества.

Из опыта Эрстеда мы знаем, что магнитное поле порождается электрическим током.

Поскольку электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что магнитное поле создается движущимися заряженными частицами. Согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах эти элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково. Поэтому магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления. Эти поля усиливают друг друга,

---

создавая поле внутри и вокруг магнита.

Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями (их называют также линиями магнитного поля). Напомним, что магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле. Магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная)

проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

Магнитные линии являются замкнутыми. Например, картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.

За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее.

Целью работы является построение алгоритма и моделирование на его основе электрического и магнитного поля системы точечных зарядов, и токов.

Сформулированная цель определяет необходимость решения следующих

---

задач:

• 
  анализ физической ситуации, выбор физической модели и соответствующих формул электростатики и магнетизма;
  
• 
  разработка алгоритма и программы моделирования;
  
• 
  моделирование для заданной системы электрических зарядов конфигурации силовых линий(линий напряженности) электрического поля;
  
• 
  моделирование для заданной системы электрических зарядов конфигурации эквипотенциальных линий.
  
• 
  моделирование магнитного поля для токов, на примере соленоида.
  

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

1. 1.1. Электрическое поле

Многие элементарные частицы (называемые носителями электрического заряда) создают вокруг себя особый род материи – электромагнитное поле, которое является переносчиком силовых взаимодействий между этими частица- ми. Благодаря взаимодействию с носителями заряда, электромагнитное поле также является носителем информации в современных информационных системах (связи, радио- и телевещания и т.д.). Согласно фундаментальному принципу физики - принципу близкодействия - взаимодействие между частицами- носителями заряда переносится электромагнитным полем в пространстве с конечной, вполне определенной скоростью. Эта скорость называется скоростью света. Свет – это чувственно обнаружимая (действующая на зрение человека) разновидность электромагнитного поля.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) – численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая, может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны

---

электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частиц зачастую отождествляют с их электрическими зарядами). Электрические заряды взаимодействуют посредством электрического поля. Иначе говоря, электрическое поле – это среда, передающая электрическое взаимодействие. Электрическое поле и его заряд образуют единое целое. Существует элементарный положительный и элементарный отрицательный заряды (|е+|=|е–|= 1, 6.10–19 Кл) [1].

Такими зарядами обладают элементарные заряженные частицы: электрон, позитрон и протон.

В системе СИ электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). Электрический заряд любого заряженного тела кратен модулю заряда электрона, так называемому, элементарному заряду Кл. В целом, в природе отрицательных за- рядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твердых тел скомпенсированы. Поэтому возникновение зарядовых систем обусловлено не рождением электрических зарядов, а их разделением, возникающим, например, при трении.

Если все заряды, создающие электромагнитное поле, в данной системе отсчета неподвижны, то (в этой системе отсчета) поле называется электростатическим.

Электростатическое поле – физическая идеализация, т.к. это понятие предполагает, что после образования зарядовой системы передача взаимодействия между зарядами закончилось. Заряды заняли равновесные положения, при которых силы, действующие на каждый заряд со стороны электростатического поля всех других зарядов, не меняются во времени (например, скомпенсированы другими силами).

Точечным зарядом называется заряженное тело или частица

---