FEMM 5

Электростатика · Плоскопараллельная

Изолированная металлическая вставка: потенциал ищет решатель

Поместите нейтральную металлическую пластину между питающим и заземлённым электродами. Её потенциал не задаётся: известен только нулевой суммарный заряд. Объясните, почему ёмкость определяется суммой толщин зазоров.

Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.

Допущения и устройство учебной модели

Принятые допущения и их назначение
Учебная модель FEMM 5Причина
Две поверхности составляют один проводник с q=0Решатель находит общий неизвестный потенциал.
Поле внутри металла исключеноВ металлической вставке нет диэлектрического падения напряжения.

Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.

Физическая и математическая постановка

Электростатическая индукция в металле

Поле внутри идеального проводника равно нулю, поэтому металл является эквипотенциальным. На противоположных поверхностях возникают заряды разных знаков, но их сумма для изолированной нейтральной пластины остаётся нулевой. Потенциал вставки определяется связанной полевой задачей.

q_f=0,\quad V_f=\mathrm{const},\quad C=\frac{\varepsilon_0\varepsilon_r A}{d_1+d_2}

Симметричный контроль

При равных зазорах по 4 мм потенциал вставки должен составлять половину 100 В. Толщина металла 2 мм в знаменатель ёмкости не входит. FEMM проверяет Vf=50 В, нулевой суммарный заряд и точную последовательную ёмкость.

Вставка исключена из диэлектрической сетки. Две её поверхности назначены одному именованному проводнику; две независимые границы с неопределёнными потенциалами задали бы другую задачу.

V_f=\frac{U}{2}\quad(d_1=d_2)

Исходные данные

Плоскопараллельная

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Зазоры слева и справа4; 4ммУсловие учебной задачи
Толщина вставки2ммУсловие учебной задачи
Высота10ммУсловие учебной задачи
Глубина100ммУсловие учебной задачи
Проницаемость31Условие учебной задачи
Напряжение100ВУсловие учебной задачи
Суммарный заряд вставки0КлУсловие учебной задачи

Порядок воспроизведения

  1. Изучите размеры, материалы, возбуждение и выбранную двумерную постановку. Сначала вычислите аналитический ориентир в единицах СИ.
  2. Скачайте файлы по отдельным ссылкам в отдельную рабочую папку. Откройте reproduce.py во встроенном редакторе Python FEMM 5 и выполните сохранённый файл.
  3. Программа строит русифицированные модели, сохраняет их, закрывает и открывает заново. Затем выполняет расчёт и читает свойства проводников по точному русскому имени.
  4. Сравните три уровня пространственной сетки. В таблицах сохранены число узлов и элементов, интегральные величины и независимые критерии. Дополнительные режимы указаны в постановке.
  5. Откройте самый подробный сохранённый вход и соответствующее решение. Проверьте смысл единиц, знаков и объёмного множителя; новый запуск сохранит результаты в новой папке calculated-NN.

Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.

Программа встроенного Python FEMM 5
Python · reproduce.py
"""Плавающий электрод и последовательная ёмкость.
Среда: встроенный MicroPython FEMM 5; команды FEMM доступны глобально.
Геометрические размеры: миллиметры; поля и интегралы возвращаются в СИ.
Все материалы и проводники имеют русские имена. Каждая модель сохраняется,
закрывается и повторно открывается до нового расчёта, включая кириллицу.
Запуск создаёт новую папку calculated-NN рядом с программой; опубликованные
модели и предыдущие расчёты не перезаписываются. Все необходимые
исходные данные включены. Условия задачи и ограничения описаны в README.md.
"""
import os
import sys
import math
import json

saved = globals().get('__file__', '') or (sys.argv[0] if sys.argv else '')
base = os.path.dirname(os.path.abspath(saved)) if saved else os.getcwd()
index = 1
while os.path.exists(base + '/calculated-%02d' % index):
    index += 1
directory = base + '/calculated-%02d' % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []
EPS0 = 8.85418781762e-12


def real(value):
    if isinstance(value, (list, tuple)):
        return real(value[0])
    return complex(value).real


def check(name, value, limit):
    checks.append({'name': name, 'value': value, 'limit': limit,
                   'passed': math.isfinite(value) and value <= limit})


def label(x, y, material, mesh, group=1):
    ei_addblocklabel(x, y)
    ei_selectlabel(x, y)
    ei_setblockprop(material, 0, mesh, group)
    ei_clearselected()


def circle(x, radius, conductor, angle):
    ei_addnode(x - radius, 0)
    ei_addnode(x + radius, 0)
    ei_addarc(x - radius, 0, x + radius, 0, 180, angle)
    ei_addarc(x + radius, 0, x - radius, 0, 180, angle)
    ei_selectarcsegment(x, radius)
    ei_selectarcsegment(x, -radius)
    ei_setarcsegmentprop(angle, '<None>', 0, 0, conductor)
    ei_clearselected()


def solve(model):
    ei_saveas(model)
    ei_close()
    opendocument(model)
    ei_analyze(1)
    ei_loadsolution()
    eo_smooth('off')


def electric_result(mesh, model, input_name, output_name, exact_C):
    voltage_in, charge_in = eo_getconductorproperties(input_name)
    voltage_out, charge_out = eo_getconductorproperties(output_name)
    voltage = real(voltage_in) - real(voltage_out)
    charge = real(charge_in)
    eo_groupselectblock(1)
    energy = real(eo_blockintegral(0))
    eo_clearblock()
    capacitance = charge / voltage
    energy_C = 2 * energy / voltage ** 2
    row = {'mesh_mm': mesh, 'model': os.path.basename(model),
           'nodes': eo_numnodes(), 'elements': eo_numelements(),
           'voltage_V': voltage, 'charge_C': charge, 'energy_J': energy,
           'capacitance_F': capacitance, 'energy_capacitance_F': energy_C,
           'analytic_capacitance_F': exact_C,
           'analytic_C_relative_error': abs(capacitance / exact_C - 1),
           'energy_charge_relative_error': abs(energy_C / capacitance - 1)}
    records.append(row)
    check('Энергия и заряд: ' + os.path.basename(model),
          row['energy_charge_relative_error'], 1e-5)
    return row


def circle_xy(cx, cy, radius, conductor, angle):
    ei_addnode(cx - radius, cy)
    ei_addnode(cx + radius, cy)
    ei_addarc(cx - radius, cy, cx + radius, cy, 180, angle)
    ei_addarc(cx + radius, cy, cx - radius, cy, 180, angle)
    ei_selectarcsegment(cx, cy + radius)
    ei_selectarcsegment(cx, cy - radius)
    ei_setarcsegmentprop(angle, '<None>', 0, 0, conductor)
    ei_clearselected()


def polygon(points, conductor='<None>', mesh=0):
    for x, y in points:
        ei_addnode(x, y)
    for k, (x, y) in enumerate(points):
        x2, y2 = points[(k + 1) % len(points)]
        ei_addsegment(x, y, x2, y2)
        if conductor != '<None>':
            ei_selectsegment((x + x2) / 2, (y + y2) / 2)
            ei_setsegmentprop('<None>', mesh, 0, 0, 0, conductor)
            ei_clearselected()


def terminal(x, y, name, mesh):
    ei_selectsegment(x, y)
    ei_setsegmentprop('<None>', mesh, 0, 0, 0, name)
    ei_clearselected()


def summary(mesh, model, source, ground, exact_C=None):
    v1, q1 = eo_getconductorproperties(source)
    v0, q0 = eo_getconductorproperties(ground)
    v1, v0, q1, q0 = real(v1), real(v0), real(q1), real(q0)
    voltage = v1 - v0
    eo_groupselectblock(1)
    energy = real(eo_blockintegral(0))
    eo_clearblock()
    capacitance = q1 / voltage
    row = {'mesh_mm': mesh, 'model': os.path.basename(model),
           'nodes': eo_numnodes(), 'elements': eo_numelements(),
           'voltage_V': voltage, 'charge_C': q1, 'energy_J': energy,
           'capacitance_F': capacitance,
           'energy_capacitance_F': 2 * energy / voltage ** 2}
    if exact_C is not None:
        row['analytic_capacitance_F'] = exact_C
        row['analytic_C_relative_error'] = abs(capacitance / exact_C - 1)
    records.append(row)
    check('Энергия и терминальный заряд: ' + os.path.basename(model),
          abs(2 * energy / voltage ** 2 / capacitance - 1), 1e-5)
    return row


def field(x, y):
    values = eo_getpointvalues(x, y)
    return math.sqrt(real(values[3]) ** 2 + real(values[4]) ** 2)


def rectangle_field(mesh, filename, epsx=2, epsy=2, voltage=100, width=10, height=10, depth=100):
    newdocument(1)
    ei_probdef('millimeters', 'planar', 1e-10, depth, 30)
    ei_addmaterial('Диэлектрик учебного образца', epsx, epsy, 0)
    ei_addconductorprop('Питающий электрод', voltage, 0, 1)
    ei_addconductorprop('Заземлённый электрод', 0, 0, 1)
    polygon(((0, 0), (width, 0), (width, height), (0, height)))
    terminal(0, height / 2, 'Питающий электрод', mesh)
    terminal(width, height / 2, 'Заземлённый электрод', mesh)
    label(width / 2, height / 2, 'Диэлектрик учебного образца', mesh)
    model = directory + '/' + filename + '.fee'
    solve(model)
    return model


exact = EPS0 * 3 * 0.01 * 0.1 / 0.008
for level, mesh in enumerate((1, 0.5, 0.25)):
    newdocument(1)
    ei_probdef('millimeters', 'planar', 1e-10, 100, 30)
    ei_addmaterial('Диэлектрик зазоров', 3, 3, 0)
    ei_addconductorprop('Питающий электрод', 100, 0, 1)
    ei_addconductorprop('Заземлённый электрод', 0, 0, 1)
    ei_addconductorprop('Изолированная металлическая вставка', 0, 0, 0)
    polygon(((0, 0), (4, 0), (6, 0), (10, 0), (10, 10), (6, 10), (4, 10), (0, 10)))
    ei_addsegment(4, 0, 4, 10)
    ei_addsegment(6, 0, 6, 10)
    terminal(0, 5, 'Питающий электрод', mesh)
    terminal(10, 5, 'Заземлённый электрод', mesh)
    for x in (4, 6):
        terminal(x, 5, 'Изолированная металлическая вставка', mesh)
    label(2, 5, 'Диэлектрик зазоров', mesh)
    label(8, 5, 'Диэлектрик зазоров', mesh)
    label(5, 5, '<No Mesh>', mesh, 0)
    model = directory + '/floating-%02d.fee' % (level + 1)
    solve(model)
    row = summary(mesh, model, 'Питающий электрод', 'Заземлённый электрод', exact)
    vf, qf = eo_getconductorproperties('Изолированная металлическая вставка')
    row['floating_voltage_V'], row['floating_charge_C'] = real(vf), real(qf)
    check('Потенциал плавающей вставки', abs(real(vf) / 50 - 1), 1e-5)
    check('Нулевой суммарный заряд вставки', abs(real(qf)), 1e-15)
    check('Ёмкость двух воздушных зазоров', row['analytic_C_relative_error'], 1e-5)
    eo_close()
    ei_close()

columns = {
    'mesh_mm': 'Размер сетки, мм', 'model': 'Файл модели',
    'nodes': 'Узлов', 'elements': 'Элементов',
    'voltage_V': 'Разность потенциалов, В', 'charge_C': 'Заряд, Кл',
    'energy_J': 'Энергия, Дж', 'capacitance_F': 'Ёмкость по заряду, Ф',
    'energy_capacitance_F': 'Ёмкость по энергии, Ф',
    'analytic_capacitance_F': 'Аналитическая ёмкость, Ф',
    'analytic_C_relative_error': 'Относительная ошибка ёмкости',
    'energy_charge_relative_error': 'Невязка энергии и заряда',
    'E_7p5mm_V_m': 'Поле при r=7,5 мм, В/м',
    'analytic_E_7p5mm_V_m': 'Аналитическое поле при r=7,5 мм, В/м',
    'E_150mm_V_m': 'Поле при r=150 мм, В/м',
    'analytic_E_150mm_V_m': 'Аналитическое поле при r=150 мм, В/м',
    'outer_radius_mm': 'Радиус внешней границы, мм',
    'insulation': 'Изоляция', 'analytic_Emax_kV_mm': 'Аналитический максимум поля, кВ/мм',
    'Emax_from_charge_kV_mm': 'Максимум поля по заряду, кВ/мм',
    'E_10mm_kV_mm': 'Поле при r=10 мм, кВ/мм',
    'E_25mm_kV_mm': 'Поле при r=25 мм, кВ/мм',
    'conductivity_S_m': 'Эквивалентная проводимость, См/м',
    'I_real_A': 'Активная компонента амплитуды тока, А',
    'I_imag_A': 'Квадратурная компонента амплитуды тока, А',
    'analytic_I_real_A': 'Аналитическая активная компонента, А',
    'analytic_I_imag_A': 'Аналитическая квадратурная компонента, А',
    'losses_W': 'Диэлектрические потери, Вт',
    'analytic_losses_W': 'Аналитические потери, Вт',
    'terminal_power_W': 'Средняя мощность электрода, Вт',
    'apparent_power_VA': 'Полная мощность, ВА',
    'U_RMS_V': 'Действующее напряжение, В', 'U_amplitude_V': 'Амплитуда напряжения, В'
}
columns.update({'orientation': 'Ориентация главных осей', 'E_center_V_m': 'Поле в центре, В/м', 'E_first_V_m': 'Поле первого слоя, В/м', 'E_second_V_m': 'Поле второго слоя, В/м', 'interface_V': 'Потенциал интерфейса, В', 'floating_voltage_V': 'Потенциал изолированного электрода, В', 'floating_charge_C': 'Заряд изолированного электрода, Кл', 'overlap_mm': 'Перекрытие электродов, мм', 'rounding_radius_mm': 'Радиус скругления, мм', 'E_corner_sample_V_m': 'Поле в 0,2 мм от скругления, В/м', 'screen': 'Исполнение', 'E_inner_sample_V_m': 'Поле в контрольной точке, В/м', 'excited_phase': 'Возбуждённая фаза', 'C_Aj_F': 'Коэффициент строки A, Ф', 'C_Bj_F': 'Коэффициент строки B, Ф', 'C_Cj_F': 'Коэффициент строки C, Ф'})
result = {'runtime': 'FEMM 5.0; встроенный MicroPython', 'records': records,
          'checks': checks, 'columns': columns,
          'passed': all(item['passed'] for item in checks)}
with open(directory + '/result.json', 'w') as output:
    json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result['passed'], 'Не выполнен численный критерий'

Картина рассчитанного поля

Потенциал, В: floating-03.res
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 floating-03.res. Электрический потенциал по сохранённым узловым значениям. Показана расчётная область. Контуры деталей взяты из той же модели. Области вне сохранённых треугольников не заполняются. Это научный график сохранённых данных. Нажмите на карту, чтобы открыть её отдельно и увеличить.

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Рабочая область модели «Изолированная металлическая вставка: потенциал ищет решатель». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Изолированная металлическая вставка: потенциал ищет решатель». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Изолированная металлическая вставка: потенциал ищет решатель». Электрический потенциал V, В. Центральный проводник исключён из сетки; цветная карта показана в диэлектрических зазорах.
Сохранённое решение «Изолированная металлическая вставка: потенциал ищет решатель». Электрический потенциал V, В. Центральный проводник исключён из сетки; цветная карта показана в диэлектрических зазорах. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 3. Выполнено проверок: 12. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Ёмкость по заряду, ФАналитическая ёмкость, ФЗаряд, КлФайл моделиУзловЗаряд изолированного электрода, КлРазность потенциалов, ВЁмкость по энергии, ФПотенциал изолированного электрода, ВЭлементовОтносительная ошибка ёмкостиЭнергия, ДжРазмер сетки, мм
3,3203204 × 10⁻¹²3,3203204 × 10⁻¹²332,03204 × 10⁻¹²floating-01.fee396001003,3203204 × 10⁻¹²50751824,118485 × 10⁻¹²16,601602 × 10⁻⁹1
3,3203204 × 10⁻¹²3,3203204 × 10⁻¹²332,03204 × 10⁻¹²floating-02.fee396001003,3203204 × 10⁻¹²50751824,118485 × 10⁻¹²16,601602 × 10⁻⁹0,5
3,3203204 × 10⁻¹²3,3203204 × 10⁻¹²332,03204 × 10⁻¹²floating-03.fee396001003,3203204 × 10⁻¹²50751824,118485 × 10⁻¹²16,601602 × 10⁻⁹0,25
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
Энергия и терминальный заряд: floating-01.fee109,2 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Потенциал плавающей вставки2,613 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Нулевой суммарный заряд вставки01e-15Выполнен
Ёмкость двух воздушных зазоров24,12 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Энергия и терминальный заряд: floating-02.fee109,2 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Потенциал плавающей вставки2,613 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Нулевой суммарный заряд вставки01e-15Выполнен
Ёмкость двух воздушных зазоров24,12 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Энергия и терминальный заряд: floating-03.fee109,2 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Потенциал плавающей вставки2,613 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Нулевой суммарный заряд вставки01e-15Выполнен
Ёмкость двух воздушных зазоров24,12 × 10⁻¹²1e-05Выполнен

Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.

Модели, решения и программа

Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.

Полные численные результаты

Границы применимости