Лабораторные работы № 1, 3, 4, 5 выполняются на виртуальных приборах (ВП), выполненных в среде графического программирования LabVIEW фирмы «National Instruments», позволяющей использовать последние достижения науки и техники в области компьютерных технологий. Среда программирования LabVIEW дает возможность создавать системы измерения, управления и контроля различного назначения практически любой сложности. Суть этой технологии состоит в компьютерной имитации программным методом реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем.

Термин «виртуальность» в данном случае понимается как имитация функций прибора математическими и программными методами. Использование данной технологии в лабораторных практикумах, особенно в диапазонах ВЧ и СВЧ, позволяет, в большинстве случаев, исключить использование сложных и дорогостоящих реальных измерительных приборов в вузовской лаборатории, а наглядность исследований позволяет на практике подтвердить теоретические положения. В реальных исследованиях такие процессы возможны только в научных лабораториях, оснащенных сложным и дорогостоящим оборудованием. Другим преимуществом среды программирования LabVIEW является возможность создания в короткие сроки приборов в большей мере отвечающих требованиям пользователя и, в тоже время, лишенных недостатка избыточной функциональности, присущего универсальным физическим измерительным приборам и системам.

На базе LabVIEW возможно также построение средств дистанционного обучения. Можно превратить персональный компьютер в современную полнофункциональную лабораторную станцию для работы с реальными сигналами, причем по стоимости такая виртуальная лаборатория не превысит стоимости персонального компьютера среднего класса.

Предлагаемые виртуальные приборы (ВП) имеют интуитивно понятный интерфейс. При подготовке к выполнению работ достаточно внимательно ознакомиться с лицевой панелью и органами управления. На лицевой панели размещены движковые регуляторы для установки и изменения заданных параметров, а также имеются цифровые индикаторы для более точной установки. Для визуального наблюдения имеются графические индикаторы, также размещенные на лицевой панели ВП. Параметры сигнала в любой его точке можно определить с помощью курсора по цифровым индикаторам, находящимся под графическими индикаторами. Запуск прибора производится нажатием двунаправленной стрелки в строке кнопок окна Lab View. Кнопка «Stop» останавливает прибор.

Список литературы

1. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. М.: ДМК Пресс, 2007.

2. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1978.

3. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1974.

Лабораторная работа №1 Исследование электростатических полей методом моделирования

Цель работы

Цель работы: исследование основных закономерностей, которым подчиняется электростатическое поле в зависимости от взаимного расположения и конфигурации заряженных тел.

Краткие теоретические сведения

Электрическое поле зарядов, неизменных во времени и неподвиж­ных в пространстве, называется электростатическим. Основной харак­теристикой электростатического поля является его напряженность. В декартовой системе координат

(1.1)

Уравнение силовой линии электрического поля имеет вид

(1.2)

В общем случае электрические заряды, являющиеся источниками электрического поля, могут быть распределены по телам произвольной формы. В том случае, если заряды распределены равномерно по протя­женному телу с неизменным поперечным сечением, то силовые линии поля оказываются лежащими в параллельных плоскостях, перпенди­кулярных его продольной оси. Силовые линии такого поля является двумерными, а поле называется плоскопараллельным или плоским.

Если силовые линии поля пересекают некоторую поверхность, то они образуют поток через эту поверхность. Величина потока N зависит от взаимной ориентации вектора и элемента поверхности

(1.3)

Поток вектора через реальную или воображаемую замкнутую по­верхностьS произвольной формы определяется алгебраической суммой зарядов q, заключенных внутри этой поверхности

(1.4)

где ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. Соотношение (1.4) известно как равенство Гаусса-Остроградского в интегральной форме.

В случае плоскопараллельного поля замкнутая поверхность S вырождается в контур l и соотношение (1.4) приводится к виду

(1.5)

где τ_i – линейная плотность заряда.

Соотношение (1.5) характеризует поток вектора через боко­вую поверхность цилиндра произвольного профиля, опирающегося в любом его сечении, перпендикулярном продольной оси, на контур и отнесенную к единице длины (высоты) этого цилиндра.

На основании соотношений (1.4) и (1.5) можно определить зна­чение поля в любой, в том числе и интересующей нас точке поверх­ности или контураl. Связь распределенных зарядов с полем устанавливается равенством Гаусса-Остроградского в дифференциаль­ной форме

(1.6)

где ρ(x, y, z) – объемная плотность зарядов. В декартовой системе коорди­нат

(1.7)

В том случае, если ось z является продольной и, поле является плоскопараллельным и соотношение (1.7) приводится к виду

(1.8)

Так как электростатическое поле способно совершать работу по перемещению заряда из одной точки пространства в другую, то его можно характеризовать потенциальной функцией

(1.9)

где dl – элемент траектории l, соединяющей точки В и А. Поверхность, объединяющая точки равных потенциалов, называется эквипотенциальной. Уравнение эквипотенциальной поверхности имеет вид

(1.10)

В плосконаправленном поле вместо эквипотенциальных поверх­ностей можно пользоваться понятием эквипотенциальных линий, изо­бражающих профили эквипотенциальных поверхностей. Силовые линии векторов перпендикулярны эквипотенциальной поверхности в каждой точке. Скорость изменения потенциала от одной эквипотенци­альной поверхности к другой характеризуется градиентом потенциа­ла, равным вектору напряженности электростатического поля, взя­тому с обратным знаком

т.е.