FEMM 5

Электростатика · Плоскопараллельная

Гребенчатый конденсатор: ёмкость, заряд и сетка у кромок

Рассчитайте ёмкость двух чередующихся групп плоских электродов. Эта задача развивает простую плоскую ёмкость: поле неоднородно, а кромки требуют отдельного контроля сетки.

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
Полосы объединяются в две именованные электрические группыСоединительная проводка не входит в сечение.
Нейтральный плавающий экранОпределена замкнутая задача с балансом зарядов пары.

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

Физическая и математическая постановка

Группы электродов и запасённая энергия

Четыре полосы шириной 10 мм и толщиной 1 мм расположены с шагом 3 мм. Чётные полосы составляют один электрический проводник, нечётные — другой. Объединение полос задано общим русским именем проводника; соединительные шины считаются внешними идеальными связями.

C=\frac{q_+}{V_+-V_-},\quad W=\frac12 C(V_+-V_-)^2

Плавающий экран и линейность

Внешний прямоугольный экран электрически изолирован и имеет нулевой суммарный заряд. Поэтому заряды двух гребёнок противоположны. Программа контролирует их баланс и равенство C по заряду и энергии.

Три уровня сетки предназначены для контроля интегральной ёмкости. Четвёртый расчёт удваивает напряжение: в линейной модели заряд удваивается, энергия растёт в четыре раза, ёмкость остаётся той же. Поле на идеальной острой кромке не объявляется конечным физическим максимумом.

q(2U)=2q(U),\quad W(2U)=4W(U)

Исходные данные

Плоскопараллельная

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Размер полосы10 × 1ммУсловие учебной задачи
Число полос41Условие учебной задачи
Шаг полос3ммУсловие учебной задачи
Глубина10ммУсловие учебной задачи
Проницаемость31Условие учебной задачи
Напряжения контроля1; 2ВУсловие 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
"""Гребенчатый конденсатор и сгущение сетки.
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


for level, mesh in enumerate((0.4, 0.2, 0.1, 0.1)):
    voltage = 1 if level < 3 else 2
    newdocument(1)
    ei_probdef('millimeters', 'planar', 1e-10, 10, 30)
    ei_addmaterial('Однородный диэлектрик гребёнки', 3, 3, 0)
    ei_addconductorprop('Первая гребёнка', voltage, 0, 1)
    ei_addconductorprop('Вторая гребёнка', 0, 0, 1)
    ei_addconductorprop('Плавающий внешний экран', 0, 0, 0)
    polygon(((-4, -4), (14, -4), (14, 14), (-4, 14)), 'Плавающий внешний экран', mesh)
    for k, y in enumerate((0, 3, 6, 9)):
        name = 'Первая гребёнка' if k % 2 == 0 else 'Вторая гребёнка'
        polygon(((0, y), (10, y), (10, y + 1), (0, y + 1)), name, mesh / 2)
        label(5, y + 0.5, '<No Mesh>', mesh, 0)
    label(-2, 5, 'Однородный диэлектрик гребёнки', mesh)
    model = directory + '/fingers-%02d.fee' % (level + 1)
    solve(model)
    row = summary(mesh, model, 'Первая гребёнка', 'Вторая гребёнка')
    q2 = real(eo_getconductorproperties('Вторая гребёнка')[1])
    check('Баланс зарядов двух гребёнок', abs(row['charge_C'] + q2) / abs(row['charge_C']), 1e-5)
    eo_close()
    ei_close()
check('Сходимость ёмкости гребёнки', abs(records[2]['capacitance_F'] / records[1]['capacitance_F'] - 1), 0.02)
check('Линейное масштабирование напряжения 1→2 В', abs(records[3]['capacitance_F'] / records[2]['capacitance_F'] - 1), 1e-5)

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: fingers-04.res
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 fingers-04.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 «Гребенчатый конденсатор: ёмкость, заряд и сетка у кромок». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Гребенчатый конденсатор: ёмкость, заряд и сетка у кромок». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Гребенчатый конденсатор: ёмкость, заряд и сетка у кромок». Потенциал V, В, и эквипотенциали в диэлектрике гребенчатого конденсатора.
Сохранённое решение «Гребенчатый конденсатор: ёмкость, заряд и сетка у кромок». Потенциал V, В, и эквипотенциали в диэлектрике гребенчатого конденсатора. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 4. Выполнено проверок: 10. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Ёмкость по заряду, ФЭнергия, ДжРазность потенциалов, ВФайл моделиУзловЗаряд, КлЁмкость по энергии, ФРазмер сетки, ммЭлементов
5,186 × 10⁻¹²2,593 × 10⁻¹²1fingers-01.fee55645,186 × 10⁻¹²5,186 × 10⁻¹²0,410242
5,182 × 10⁻¹²2,591 × 10⁻¹²1fingers-02.fee118415,182 × 10⁻¹²5,182 × 10⁻¹²0,221997
5,176 × 10⁻¹²2,588 × 10⁻¹²1fingers-03.fee397855,176 × 10⁻¹²5,176 × 10⁻¹²0,176248
5,176 × 10⁻¹²10,35 × 10⁻¹²2fingers-04.fee3978510,35 × 10⁻¹²5,176 × 10⁻¹²0,176248
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
Энергия и терминальный заряд: fingers-01.fee204,5 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Баланс зарядов двух гребёнок264,6 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Энергия и терминальный заряд: fingers-02.fee56,18 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Баланс зарядов двух гребёнок87,29 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Энергия и терминальный заряд: fingers-03.fee204,7 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Баланс зарядов двух гребёнок843,9 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Энергия и терминальный заряд: fingers-04.fee204,7 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Баланс зарядов двух гребёнок843,9 × 10⁻¹²1e-05Выполнен
Сходимость ёмкости гребёнки0,0012710,02Выполнен
Линейное масштабирование напряжения 1→2 В01e-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