Набатова Анна
Применение искусственных нейронных сетей
в задачах солнечно-земной физики
Аннотация
Современные математические технологии предлагают разнообразные подходы и методы решения широкого спектра задач во многих областях науки. Развитие вычислительной техники открывает исследователям новые возможности в постановке экспериментов, обработке массивов данных, интерпретации полученных результатов. Производительность компьютеров позволяет выполнять расчет физических моделей изучаемых процессов при учете десятков и сотен воздействующих факторов за считанные минуты. В такой ситуации может сложиться впечатление, что аналитическое усложнение исследуемой модели или условий при постановке задачи всегда приводит к более надежному и точному результату. Однако, как показывает практика, это не так.
В последнее время физические связи между экспериментальными данными об анализируемых событиях начали устанавливаться без построения моделей. В основе такого подхода лежит метод искусственных нейронных сетей (ИНС), который сочетает корреляционную обработку изучаемых сигналов с их нелинейным преобразованием. Этот вычислительный метод содержит в себе математический алгоритм и применяется в основном в двух вариантах. В первом – выясняются зависимости между группами последовательных данных, находящихся в причинно-следственной связи. Во втором – события объединяются в группы (классифицируются) по схожим признакам и таким образом выделяются характерные особенности изучаемых явлений. Продолжительный опыт использования ИНС в разных приложениях показал, что этот метод особенно эффективен для сложных систем, когда их физическая модель излишне сложна или отсутствует на данный момент.
Преимущество нейросетевых технологий перед другими методами объясняется изначально определяемой простотой при моделировании процесса. Созданная нейросетевая система для конкретной задачи символизирует вершину эволюции математического моделирования динамических процессов. Высокий интерес к нейронным сетям, проявляемый специалистами из разных областей деятельности, объясняется, прежде всего, очень широким диапазоном решаемых с их помощью задач. Нейронные сети могут быть использованы при решении задач по прогнозированию и восстановлению числовых рядов, а также при классификации образов. Примерами приложений являются обработка изображений и нелинейное управление, распознавание образов и адаптивная фильтрация, идентификация и финансовое прогнозирование. В настоящее время метод ИНС активно применяется также и в геофизике для решения задач прогноза параметров солнечно-земных связей и различных геофизических явлений.
Содержание работы
- Полупроводники
Автор работы
Студент группы №251 Набатова Анна Геннадьевна
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводники
Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества. Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют полупроводники и диэлектрики. Полупроводники – это вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов и диэлектриков, обусловлена переносом электронов и возрастает при повышении температуры. Основная особенность полупроводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы. В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды –индукционными зарядами. Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника). Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.
Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита– чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики.
Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.
Этот опыт можно показать на уроке физики в 10 классе, на тему «Проводники в электрическом поле».
В том, что в проводниках помещенных в электрическое поле происходит разделение зарядов можно убедиться на опыте с двумя электрометрами, соединенных проводником на моделирующей ручке.
При приближении эбонитовой палочки, заряженной отрицательно, стрелки обоих электрометров отклоняются. Можно предположить, что на ближайшем электрометре, к палочке наводится заряд, т.к. электроны под действием поля отрицательны, палочки уходят.
При разъединении этих электрометров заряды не могут вернуть электроны с правого на левый электрометр, и электрометры остались заряженными.
По нашей гипотезе, левый заряжен положительно, а левый отрицательно. Проверка знака заряда, подтверждает это при приближении отрицательно заряженной палочки, угол отклонения электрометра уменьшается, если подносить отрицательно заряженную палочку ко второму электрометру, то угол увеличится. Это говорит о том, что действительно второй электрометр заряжен отрицательно.
Знаки зарядов противоположны, но модулю равны. Если соединить проводником электрометры, происходит их полная нейтрализация, что возможно при зарядах равных по модулю, но противоположных по знаку.
