Введение
Для визуального восприятия картин электромагнитных полей используется графическое построение пространственного распределения поля – как функции двух переменных 
. Это обычно пространственное распределение скалярного или векторного
потенциалов полей [4-6]. Известно, что с помощью программ MathCAD и MATLAB в среде pdetool можно построить картину поля лишь для линий равного потенциала, причем программы, позволяющие построить картину поля для линий равного тока, отрисовывают контурные линии при наличии ложных скачков [1] (рис. 1, 2).
Это объясняется тем, что линии тока линейного заряда или линии потока линейного тока распределяются лишь в смысле главного значения, то есть в пределах от 
до 
(рис. 1а, 2а, 3а).
Рис. 1. Метод решения в частных производных для электростатического поля: а) фазовый портрет; б) пространственное распределение линий равного тока
Рис. 2. Метод решения в частных производных для магнитостатического поля: а) фазовый портрет; б) пространственное распределение линий равного потока
Поэтому в работе предлагается метод построения картин электромагнитного поля, позволяющий избежать наличия ложных скачков (рис. 3б).
Теоретический анализ
Рассмотрим алгоритм для построения фазового портрета динамической системы в схемотехнической среде MATLAB-Simulink.
Рис. 3. Геометрическая интерпретация распределения линий тока линейного заряда: а) для уравнений в частных производных; б) для динамической системы
Новизна алгоритма заключается в сведении дифференциальных уравнений в частных производных Лапласа и Пуассона к динамической системе, то есть к решению системы дифференциальных уравнений 1 порядка в среде MATLAB-Simulink.
Алгоритм представляется в следующей последовательности:
1. Ввод данных: количество, координаты, величина зарядов (токов), количество изолиний равного потенциала (тока):
a) для электростатического поля;
b) для магнитостатического поля.
2. Решение дифференциальных уравнений в частных производных Лапласа и Пуассона, используя входные данные:
a) для линий равного потенциала;
b) для линий равного тока или потока.
3. Сведение решения дифференциальных уравнений в частных производных Лапласа и Пуассона к динамической системе.
4. Решение системы дифференциальных уравнений 1-го порядка, полученных с помощью динамической системы, в среде MATLAB-Simulink.
5. Формирование интерфейса блока входных данных:
a) выбор типа поля для решения системы дифференциальных уравнений 1-го порядка;
b) выбор количества координат, величин зарядов (токов);
c) выбор количества изолиний равного потенциала, тока (потока).
6. Выход: построение фазового портрета динамической системы.
Методика
Исследование статических электрического и магнитного полей будет осуществляться с помощью динамической системы и последующим ее моделированием аналоговой техникой в схемотехнической программе MATLAB-Simulink.
Под динамической системой мы понимаем электромеханическую систему, которая описывается дифференциальными уравнениями [2; 3].
Каждая динамическая система имеет свой фазовый портрет, которому соответствуют свои особые точки (это точки положения равновесия).
Особые точки помогают, не решая дифференциальные уравнения, предсказать поведение динамической системы.
Из методов исследования можно выделить следующие:
1. Методы дифференциальной геометрии и теории автоматического регулирования.
2. Методы математической физики – уравнения Лапласа, Пуассона.
Для того чтобы построить электростатическое поле для линейных зарядов, мы должны записать уравнение Пуассона:
, (1)
где 
- комплексный электрический потенциал, 
- функция потенциала, 
- функция потока, 
- объемная плотность зарядов, 
- электрическая постоянная, 
- диэлектрическая проницаемость.
Комплексный потенциал описывает совокупность силовых и эквипотенциальных линий поля, которые ортогональны по отношению друг к другу, то есть картину поля.
Решение уравнения Пуассона (1) для электростатического поля:
, (2)
где 
- величина заряда, 
- регуляризирующий коэффициент.
Рассмотрим построение картины электростатического поля трех линейных зарядов с помощью сведения уравнений в частных производных к динамической системе.
Для плоского электростатического поля имеем систему уравнений:
, (3)
где 
- плотность зарядов, при решении приняли 
.
Уравнение (3) означает потенциальность поля:
. (4)
Постоянство потенциала поля 
при изменении координат 
описывается уравнением:
. (5)
Из уравнения (5) получаем в параметрической форме систему уравнений:
. (6)
Теперь получим уравнения для линий напряженностей электрического поля, для этого рассмотрим уравнение (4):
(7)
Постоянство линий потока 
при изменении координат описывается уравнением:
. (8)
Из уравнения (8) получаем в параметрической форме систему уравнений:
. (9)
Таким образом, имеем две динамические системы:
, 
. (10)
Экспериментальная часть
Пусть заданы декартовые координаты трех линейных зарядов:
.
Используя уравнение (10), получаем обыкновенные дифференциальные уравнения для трех линейных зарядов, полученные с помощью динамической системы (рис. 5а):
, (11)
. (12)
На рисунке 4 представлено всплывающее окно блока входных данных, позволяющее пользователю, не зная программирования, получить на выходе интересующую картину статического электромагнитного поля в фазовой плоскости и на основе частных структурных схем (рис. 4а, б) сопоставить электротехническую схему замещения [1].
Блок входных данных состоит из следующих пунктов:
- Тип поля: электростатическое поле, магнитостатическое поле.
- Количество зарядов / токов: 1-6.
- Координаты по оси x: -3 – 5.
- Координаты по оси y: -4 – 6.
- Величина зарядов / токов: -3 – 3.
- Количество изолиний равного потенциала: 5, 10, 13, 20, 23, 30.
- Количество изолиний равного тока: 5, 10, 13, 20, 23, 30
Пользователю предлагается выбор параметров блока входных данных, необходимых для реализации комплекса программ, для упрощения и понимания пользования данной программой.
Картина поля становится наиболее наглядной и информативной при построении линий равного тока, которые позволяют судить о траектории движения заряженных частиц в электростатическом поле. Распределение линий равного потенциала и линий равного тока взаимоперпендикулярны в пространстве. Образованная этими линиями площадь криволинейных прямоугольников, показывающих распределение адиабатического инварианта, в частности энергии электростатического поля и заряда, имеет величину емкости С. Густота и разреженность линий позволяют судить об интенсивности распределения энергий в пространстве.
Аналогично был получен фазовый портрет на рисунке 5б с противоположными знаками второго и третьего зарядов, декартовы координаты остались прежние (рис. 1).
Аналогичные рассуждения можно сделать и по магнитному полю [1].
Рис. 4. Всплывающее окно блока входных данных и картина поля в фазовой плоскости (д): а) количество зарядов; б) координаты и величина заряда; в) количество изолиний равного потенциала; г) количество изолиний равного тока
Рис. 5. Фазовый портрет, полученный с помощью динамической системы
Результаты
В данной статье приведено описание метода сведения решения дифференциальных уравнений в частных производных Лапласа и Пуассона к решению системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка с помощью динамической системы.
Заменены реальные процессы аналоговой техникой через операционные усилители с помощью программы схемотехники MATLAB-Simulink. Получен фазовый портрет электромагнитных полей на основе моделирования динамической системы аналоговой техникой.
Составлена структурная схема динамической системы, которая отображает динамику процесса, где элементами схемы являются операционные усилители, на основе которых может быть сопоставлена электротехническая схема замещения.
Рецензенты:
Лукутин Б.В., д.т.н., заведующий кафедрой ЭПП ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.
Канев Ф.Ю., д.ф.-м.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.
Библиографическая ссылка
Васильева О.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАРТИН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=9504 (дата обращения: 19.04.2024).