48750

Расчет структуры полей проводящего шара в диэлектрической среде

Курсовая

Физика

Цель работы: расчет структуры полей проводящего шара в диэлектрической среде а также в волноводе для приведенных в задании параметров. Метод исследования : метод разделения переменных при интегрировании дифференциальных уравнений для получения аналитических выражений потенциалов и напряженностей полей с последующим построением на ЭВМ структуры этих полей. Для заданной геометрии и параметров среды получены аналитические выражения значений потенциалов и напряженностей полей диэлектрического шара в диэлектрической среде. В...

Русский

2013-12-14

103.5 KB

3 чел.

РЕФЕРАТ

   Объекты исследования : диэлектрический  шар в диэлектри-ческой среде , прямоугольный волновод с волной Н42.

   Цель работы : расчет структуры полей проводящего шара в диэлектрической среде, а также в волноводе для приведенных в задании параметров. Закрепить навыки основ программирования и работы на персональных компьютерах.

   Метод исследования : метод разделения переменных при интегрировании  дифференциальных уравнений для получения аналитических выражений потенциалов и напряженностей полей с последующим построением на ЭВМ структуры этих полей.

   Для заданной геометрии и параметров среды получены аналитические выражения значений потенциалов и напряженностей полей диэлектрического шара в диэлектрической среде. В случае волны Н42, распространяющейся в прямоугольном волноводе сечением 35 на 15 мм, путем интегрирования волнового уравнения и использования уравнений Максвелла получены соотношения, описывающие поведение поперечных и продольных компонент полей, а также выражения для расчета Λ в волноводе и эквивалентного сопротивления. Путем применения ЭВМ построены  графики структур статических полей для шара и переменных полей для  волновода.

    Ключевые слова: ВОЛНА, КОЭФФИЦИЕНТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ, КРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТОТА, ФАЗОВАЯ И ГРУПОВАЯ СКОРОСТИ, ПОЛЕ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА.

1. Расчет  структуры  осесимметричных  стационарных

электромагнитных  полей.

Общее  задание.

Осесимметричное тело радиуса R находится в однородном внешнем электрическом поле E0, перпендикулярном к его оси. Заданы  характеристики окружающей среды. Получить аналитические выражения для потенциалов и  и полей Ei и Ee,соответственно внутри и вне тела. Для заданных численных  значений параметров задачи построить семейство эквипотенциальных линий (10 линий) в плоскости, перпендикулярной оси симметрии тела.

Найти вектор электрической индукции D вточке M .

Параметры  задачи

Диэлектрический шар в вакууме,

R = 6 см, E0 = 20 кВ/м,  = 6, = 1

Координаты точки M: r =5 см = 0,05 м,    =30

Решение

Решение проводится в цилиндрических координатах, связанных с центром шара, r - радиус-вектор точки наблюдения, ось x направлена вдоль приложенного электрического поля (рис. 1.1).

                            

При таком расположении шара, потенциал поля не будет зависеть от координаты z. Учитывая это запишем уравнение Лапласса:

                                 (1. 1)

Как внутри, так и вне шара сторонних зарядов нет, поэтому следует решать уравнение Лапласа  с соответствующими граничными усло-виями на поверхности r = R.

   Решим уравнение (1.1)  методом разделения переменных, в соответствии с которым решение будем искать в виде произведения двух функций, каждая из которых зависит только от одной координаты:

                                                                     (1. 2)

Полное решение будет иметь вид:

  •  для внутреннёй области

;                                (1. 3)

  •  для внешней области

.                                (1. 4)

Для определения постоянных интегрирования необходимо учесть не только граничные условия на поверхности шара, но и поведение потенциала на бесконечности. Потенциал φ на бесконечности в этом случае имеет вид:

.                                        (1. 5)

Так как потенциал в поле точечного заряда изменяется обратно пропорционально r , то С/r  есть составляющая потенциала от суммарного заряда шара, рассматриваемого как точечный заряд. По условию суммарный заряд шара равен нулю (С= 0), и следовательно (1. 4) и (1. 5) имеют вид:

.                                   (1. 6)

Выражение потенциала φi для внутренней области должно давать конечное значение потенциала для точек внутри шара. А это  возможно лишь тогда, когда С= 0 и С4і = 0. Постоянная С2і = С= φ0 (для внешней области). Таким образом для внутренней области:

  .                                       (1. 7)

Для нахождения неизвестных постоянных С4e  и   С3і  воспользуемся граничними условиями φi = φe при r = R, следовательно,

+.                                         (1. 8)

Dni = Dne при  r = R, следовательно:

-.                                  (1. 9)

Откуда получаем, что:

.                                   (1. 10)

Решение уравнений (1. 8), (1. 10) дают нам следующие выражения:

,   .                    (1. 11)

Подставив найденные постоянные, получим потенциалы внутренней и внешней областей:

,              (1. 12)

.                       (1. 13)

Напряжённости поля в шаре и вне шара будут равны:

,                             (1. 14)

Так как  , и , то подставив их в формулу для имеем:

                      

.  (1. 15)

Запишем уравнение эквипотенциальных линий в плоскости (xoz), заданное в сферических координатах:            

.                                      (1. 16)

где φn = const - фиксированное значение потенциала, выбранное для построения эквипотенциали с индексами  n = 1, 2, 3,….  Уравнения эквипотенциальных линий внутри и вне шара следует из формул (1. 12), (1. 13), (1.16):

.                  (1. 17)

Плотность зарядов σ поверхности проводника равна:

2.  Расчет структуры     переменных    электромагнитных      полей    в  волноводе.

 Общее  задание.

    Для заданного типа волны с начальной амплитудой поля =5 кВ/см, распространяющейся в прямоугольном волноводе сечением получить аналитические выражения продольной и поперечных компонент полей в комплексной форме записи и для мгновенных значений. Для численных параметров задачи построить эпюры полей по осям x, y, z, а также картину распределения полей в плоскостях xy и xz. Рассчитать заданные характеристики полей и  построить их зависимости  от частоты. Во всех случаях считаем, что  параметр μ = 1.

Параметры  задачи

Волна H!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ,  a  b = 40 x 20 мм;   = 15 мм,     диэлектрическая проницаемость  = 2.2.        Рассчитать !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! и Zэ.

Решение

Для начала нарисуем эскиз волновода  (рис. 2)

 

Полость волновода заполнена диэлектриком, электрическая проницаемость которого . Длина волновода в направлении оси z не ограничена. Процесс распространения электромагнитных волн в полости прямоугольного волновода рассматриваем, полагая, что стенки волновода выполнены из сверхпроводящего материала ( = ). При этом условии напряженность электрического поля на стенках волновода


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20435. Систе́ма управле́ния ба́зами да́нных 159 KB
  Основные функции СУБД управление данными во внешней памяти на дисках; управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша; журнализация изменений резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев; поддержка языков БД язык определения данных язык манипулирования данными. Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты: ядро которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию процессор языка базы данных обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и...
20436. Модель клиент-сервер 39 KB
  Модель клиентсервер До этого момента мы вряд ли сказали чтото о действительной организации распределенных систем более интересуясь тем как в этих системах организованы процессы. Они пришли к выводу о том что мышление в понятиях клиентов запрашивающих службы с серверов помогает понять сложность распределенных систем и управляться с ней. В этом разделе мы кратко рассмотрим модель клиентсервер. Клиенты и серверы В базовой модели клиентсервер все процессы в распределенных системах делятся на две возможно перекрывающиеся группы.
20437. Разделение приложений по уровням 76 KB
  Например сервер распределенной базы данных может постоянно выступать клиентом передающим запросы на различные файловые серверы отвечающие за реализацию таблиц этой базы данных. В этом случае сервер баз данных сам по себе не делает ничего кроме обработки запросов. Однако рассматривая множество приложений типа клиентсервер предназначенных для организации доступа пользователей к базам данных многие рекомендовали разделять их на три уровня: уровень пользовательского интерфейса; уровень обработки; уровень данных. Уровень обработки обычно...
20438. CASE-средства 1.81 MB
  В предыдущей лекции было рассказано о видах диаграмм UML и даны некоторые рекомендации относительно последовательности их построения. Мы уже знаем что нотация UML специально разрабатывалась в расчете на то чтобы диаграммы можно было легко рисовать от руки. В этой лекции мы познакомимся с некоторыми подобными пакетами а именно: IBM Rational Rose; Borland Together; Microsoft Visio; Sparx Systems Enterprise Architect; Gentleware Poseidon; SmartDraw; Dia; Telelogic TAU G2; StarUML; другие программы UML отличное средство моделирования но как...
20439. Rational Rose DataModeler 29.5 KB
  Унифицированный язык объектноориентированного моделирования Unified Modeling Language UML явился средством достижения компромисса между этими подходами. Существует достаточное количество инструментальных средств поддерживающих с помощью UML жизненный цикл информационных систем и одновременно UML является достаточно гибким для настройки и поддержки специфики деятельности различных команд разработчиков. Таким языком оказался UML. Создание UML началось в октябре 1994 г.
20440. CASE-средства 39.5 KB
  Microsoft Visio Visio решение для построения диаграмм от Microsoft. По словам разработчиков Visio помогает преобразовать технические и бизнесконцепции в визуальную форму. Visio имеет некоторые дополнительные возможности но все же повторим по большей мере это только средство для иллюстрирования документов MS Office не дотягивающее до уровня пакетов которые мы описывали ранее. Изобразительные же возможности Visio действительно весьма широки: Используя предопределенные фигуры Visio Professional draganddrop и мастера вы можете...
20441. Эволюция CASE-средств 99.5 KB
  Таким образом CASEтехнологии не могут считаться самостоятельными методологиями они только делают более эффективными пути их применения. CASE ≈ не революция в программо технике: современные CASEсредства являются естественным продолжением эволюции всей отрасли средств разработки ПО. Традиционно выделяют шесть периодов качественно отличающихся применяемой техникой и методами разработки ПО которые характеризуются использованием в качестве инструментальных следующих средств: ассемблеров дампов памяти анализаторов компиляторов...
20442. Варианты архитектуры клиент-сервер 122 KB
  Варианты архитектуры клиентсервер Разделение на три логических уровня обсуждавшееся в предыдущем пункте наводит на мысль о множестве вариантов физического распределения по отдельным компьютерам приложений в модели клиентсервер. Серверы реализующие все остальное то есть уровни обработки и данных. Проблема подобной организации состоит в том что на самом деле система не является распределенной: все происходит на сервере а клиент представляет собой не что иное как простой терминал. Многозвенные архитектуры Один из подходов к организации...
20443. Введение в UML 54.5 KB
  Модель физического уровня в языке UML отражает компонентный состав проектируемой системы с точки зрения ее реализации на аппаратурной и программной платформах конкретных производителей. Сущности в UML В UML определены четыре типа сущностей: структурные поведенческие группирующие и аннотационные. Структурные сущности это имена существительные в моделях на языке UML.