FEMM 5

Часть I · Интерфейс FEMM 5, геометрия, сетка и математические основы → § 4 · Обработка и представление результатов

Занятие 4.3

Карты, векторы, профили и экспорт данных: количественное сравнение вариантов

Цель и задачи

Цель. Использовать численные профили для корректного сравнения полей.

Задачи

  • Различите непрерывность потенциала и нормального D от скачка нормального E, сравнив численные профили.
  • Экспортируйте профиль потенциала, поля и смещения через два диэлектрика с точками по обе стороны стыка.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Оценка электрического поля, ёмкости и изоляционного промежутка

Инженерный вопрос. Как отличить реальный скачок поля от эффекта шкалы или сглаживания?

Эти действия входят в подготовку расчёта любого устройства: они устанавливают связь источника, геометрии и наблюдаемой величины. Их результат позволяет выбрать допустимую постановку и способ извлечения будущей характеристики.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Задайте потенциалы или заряды независимых проводников, свойства диэлектрика и требуемую полевую либо интегральную величину.

  2. Два диэлектрика последовательно — аналитический эталон. Проверьте поле, ёмкость или энергию в аналитическом зазорном пределе с теми же границами.

  3. Постройте V, E, D вдоль линии через два диэлектрика, экспортируйте таблицу и две карты с общей шкалой.. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Экспортируйте профиль потенциала, поля и смещения через два диэлектрика с точками по обе стороны стыка.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сопоставьте полевые, зарядовые и энергетические величины с аналитическим контрольным пределом; проверьте потенциалы и зарядовый баланс.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Подписанный профиль и общая шкала карт с объяснением поведения интерфейса.

Данные именно этого опыта. Экспортируйте профиль потенциала, поля и смещения через два диэлектрика с точками по обе стороны стыка.

Оформление наблюдений. Потенциалы, заряды, область и энергия; для поля — координаты и компоненты, для ёмкости — определение и полная геометрия электродов.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Потенциал непрерывен, нормальная напряжённость скачкообразна. Равенство E_{1}=E_{2} было бы ошибкой. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Независимый контроль. Используйте зарядовый баланс и согласованные зарядовую и энергетическую оценки, если они предусмотрены постановкой занятия.

Критерий выполнения. Оси и легенды имеют единицы; показаны точки по обе стороны стыка; E_{1}/E_{2}\approx 2, D_n совпадает; исходная таблица приложена к изображению.

Точность и расхождения. Для ёмкости и энергии уточняйте интегральную величину. Для поля у кромки фиксируйте физическое скругление либо удаление точки; сеточный максимум идеального угла не является прочностью изоляции.

Основание сравнения. Используйте определения поля, ёмкости и энергии из занятия. Однородный или слоистый зазор является пределом с заданными границами; локальный максимум у идеальной острой кромки требует отдельной оценки.

Вывод для устройства

Свяжите результат с размером электрода, ёмкостью или распределением напряжённости; вывод о пробое требует обоснованного критерия и данных для реального диэлектрика.

Границы вывода. Простой эталон проверяет конкретное действие или физический закон; перенос на устройство требует заново согласовать геометрию, материалы, режим и объёмный множитель.

Теория и вывод формул

Сопоставление распределений поля требует одинаковых шкал, исследуемых величин и условий отображения. Автоматический выбор диапазона способен скрыть количественные различия, поэтому графическое представление сопровождается численными данными.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (4.10) · Вывод контрольного соотношения

Физический и методический смысл

Цветовая карта зависит от выбранной величины, диапазона шкалы, сглаживания и области отображения. Автомасштабирование способно сделать различающиеся поля визуально похожими.

На границе двух диэлектриков E может испытывать физически обусловленный скачок. Сглаживание изображения не подтверждает непрерывности этой величины. При сопоставлении вариантов используют одинаковые шкалы и точки выборки.

Вывод контрольного соотношения

Различите непрерывность потенциала и нормального D от скачка нормального E, сравнив численные профили.

D_n=\mathrm{const},\quad U=\frac{D_ng_1}{\varepsilon_1}+\frac{D_ng_2}{\varepsilon_2},\quad C=\frac{S}{g_1/\varepsilon_1+g_2/\varepsilon_2}
(4.10)
Плоские слои без свободного поверхностного заряда, линейные изотропные материалы.
  1. Непрерывность D_n и отношение E_{1}/E_{2}=\varepsilon _{2}/\varepsilon _{1}=2 следуют из закона Гаусса.

  2. Общее падение напряжения распределяется как 66,6667 и 33,3333 В.

  3. Ёмкость равна 2,361 пФ; |E_{1}|=13333{,}3333\,\mathrm{В/м}, |E_{2}|=6666{,}6667\,\mathrm{В/м}.

Границы применимости. Плоские слои без свободного поверхностного заряда, линейные изотропные материалы.

Связь с опытом в FEMM

Постройте V, E, D вдоль линии через два диэлектрика, экспортируйте таблицу и две карты с общей шкалой.

Сначала вычислите контрольное значение вручную, затем сформулируйте ожидаемый знак и зависимость от одного параметра. Повторите опыт в рабочей копии с изменением только этого параметра. Сохраняйте геометрию, единицы, глубину, материалы, источники и граничные условия вместе с результатом. Успешное завершение решателя означает решение введённой модели, но само по себе не доказывает её соответствие устройству.

Проверка и границы вывода

Оси и легенды имеют единицы; показаны точки по обе стороны стыка; E_{1}/E_{2}\approx 2, D_n совпадает; исходная таблица приложена к изображению.

Потенциал непрерывен, нормальная напряжённость скачкообразна. Равенство E_{1}=E_{2} было бы ошибкой.

Рисунок без шкалы, единиц и настроек сглаживания нельзя использовать для количественного сравнения.

Пояснения к официальному руководству

Подробности, которые следует учитывать при настройке и проверке модели. Все учебные пояснения.

Рисунки из руководства к этому занятию (2)
  1. М.2.19 · Кнопки панели графических режимов
  2. М.2.21 · Диалог «График \(X\)–\(Y\)»
Формулы и таблицы руководства к этому занятию

Сглаживание поля: что восстанавливается и что остаётся приближением

В плоской задаче линейный потенциал на треугольнике даёт постоянное по элементу производное поле. На общей вершине несколько соседних элементов поэтому предлагают разные значения B. Карта без сглаживания показывает этот кусочно-постоянный результат. Сглаживание создаёт узловое представление производного поля для интерполяции и отображения; исходные узловые значения потенциала и сама сетка от этого не становятся решениями более высокого порядка.

Общий метод восстановления по группе соседних элементов мог бы аппроксимировать значения поля в центрах треугольников плоскостью по наименьшим квадратам. Однако на нерегулярной сетке такая задача может оказаться плохо обусловленной. Для магнитного поля FEMM использует более простое среднее: вклад каждого соседнего элемента взвешивается обратно пропорционально расстоянию от его центра тяжести до рассматриваемого узла. Поэтому большие и маленькие элементы влияют не одинаково, а восстановление не является простым средним всех ближайших значений.

Взвешивание соседних элементов при сглаживании

\mathbf B_{\mathrm{node}}\approx\frac{\sum_e w_e\mathbf B_e}{\sum_e w_e},\qquad w_e=\frac1{\lVert\mathbf x_e-\mathbf x_{\mathrm{node}}\rVert}
(М.Н.22)
Каждому соседнему треугольнику приписывается вес, обратный расстоянию от его центра до рассматриваемого узла. Сглаживание делает поле непрерывнее на рисунке, но не создаёт новую сетку.

Обозначения и единицы

  • \mathbf B_e — индукция в центре элемента, Тл; \mathbf x_e и \mathbf x_{\mathrm{node}} — координаты центра и узла, м; w_e — вес, м⁻¹; восстановленная \mathbf B_{\mathrm{node}} имеет единицу Тл.

Условия применения. На интерфейсах действуют специальные правила; нельзя усреднять несовместимые предельные значения через физический разрыв.

В PDF правило задано словами «inversely proportional to the distance»; нормированная формула раскрывает это описание.

Для электростатики процедура другая: в окрестности узла аппроксимируют узловые напряжения плоскостью и используют её градиент для восстановления электрического поля и смещения с учётом материала. Специальные случаи на границах и поверхностях обрабатываются отдельно. Магнитную формулу усреднения B поэтому нельзя выдавать за точное описание любого поля любого модуля.

На границе материалов физически непрерывны определённые компоненты, а не весь вектор. Без поверхностного заряда непрерывна нормальная D; при разных \varepsilon нормальная E обычно разрывна. Аналогично для границы раздела магнитных сред без поверхностного тока непрерывны нормальная B и тангенциальная H. Сглаживание изображения не должно скрывать эти физически обусловленные скачки. Сравнивайте значения с одной выбранной стороны границы раздела и фиксируйте режим сглаживания.

У острых углов поле может иметь сингулярность. Сглаживание способно изменить показанный максимум, но не создать конечное физическое значение для идеальной острой кромки. Для оценки изоляции указывают реальный радиус скругления; для интегральных сил и энергии отдельно проверяют сходимость нужного интеграла. Сравнение сглаженного и несглаженного профиля полезно как диагностический опыт, но не является самостоятельной строгой оценкой погрешности.

B_{n,1}=B_{n,2},\quad H_{t,1}=H_{t,2};\qquad D_{n,1}=D_{n,2},\quad E_{t,1}=E_{t,2}
(Р.6.2)
Условия для обычного интерфейса без поверхностных тока и свободного заряда. Они не требуют равенства всех компонент каждого вектора.

Проверьте на своей модели

  • Сохраните один профиль поля при включённом и выключенном сглаживании на одной и той же сетке.
  • Для контакта двух диэлектриков сравните нормальную D и тангенциальную E по обе стороны, не требуя совпадения нормальной E.
  • Для максимума у кромки явно зафиксируйте радиус скругления и размер сетки; не объявляйте изменение сглаживания уточнением геометрии.

Источник: [33]. § 7.3

Изолинии, цвет, векторы и сглаживание

Магнитные линии уровня относятся к A в плоской задаче и к 2\pi rA в осесимметричной. В гармонике действительная и мнимая части дают разные картины; это не два независимых магнитных поля. Изолинии V в электрических модулях и T в тепловом не являются траекториями потоков. При анизотропии вектор потока может не совпадать с направлением отрицательного градиента.

Density Plot выбирает величину и пределы цветовой шкалы: B/H/J в магнитном модуле, V/E/D в электростатике, T/градиент/тепловой поток в тепловом, V/E/J в токовом. Для комплексной величины уточните, показан модуль или действительная/мнимая часть. Автоматические пределы подходят для поиска структуры, но сравнение вариантов требует одинаковой шкалы. Vector Plot показывает направление стрелкой, величину — её длиной.

Четыре значка магнитного постпроцессора: сетка, линии уровня, цветовая карта и стрелка векторного поля.

Рисунок М.2.19. Кнопки панели графических режимов

Показ сетки, изолиний, цветовой карты и векторов отвечает на разные вопросы. Для сравнения вариантов фиксируйте выбранную величину и границы цветовой шкалы; одинаковый цвет при автоматическом масштабе не гарантирует одинаковое B.

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Smoothing интерполирует производные поля между соседними элементами. Внутри линейного треугольного элемента потенциал изменяется линейно, а вычисленные по его производным компоненты поля постоянны. Сглаживание делает изображение непрерывным, но не подтверждает сеточную сходимость и не устраняет физические скачки на границах сред. Show Mesh, Show Points и Show Block Names помогают проверить, что именно показано; для публикации лишние отметки можно скрыть после проверки.

View/Density Plot и View/Contour Plot переключают показ, а соответствующие кнопки панели открывают настройки. Edit/Preferences задаёт начальное поведение вновь открытых решений. Problem Info сообщает параметры расчёта; Plot B-H Curves помогает сверить назначенные нелинейные материалы. Show stress tensor mask показывает пути последнего интеграла WST, а не линии реального магнитного потока.

Проверьте на своей модели

  • Сравните два варианта с общей шкалой и подпишите величину, единицу, компоненту и состояние сглаживания.
  • Отдельно покажите поле и маску WST, объяснив различие линий.

Источник: [33]. § 2.3.5 · § 2.3.6 · § 2.3.7 · § 2.3.8 · § 2.5.1 · § 2.5.2 · § 2.5.3 · § 2.7.1 · § 2.7.2 · § 2.7.3 · § 2.9.1 · § 2.9.2 · § 2.9.3

Профиль на границе: сторона отсчёта и число точек

X-Y Plot выбирает величину и количество точек вдоль уже построенного контура. Первая координата графика — расстояние вдоль него, а не обязательно x. Увеличение числа выборок делает профиль подробнее, но не уточняет исходную конечную сетку. Export в окне графика сохраняет CSV с заголовками: положение вдоль контура и по одному столбцу для каждой кривой.

В магнитном диалоге X-Y Plot выбран модуль B и указано 1500 точек профиля.

Рисунок М.2.21. Диалог «График X–Y»

Горизонтальная координата будущего графика — расстояние вдоль построенного пути. Здесь отображается модуль индукции; он не показывает знак нормальной или касательной компоненты. Увеличение 1500 отсчётов уточняет выборку по существующему решению, но не сетку.

Обозначения на рисунке

Quantity
Величина
Number of points
Число точек профиля
|B| (Magnitude of flux density)
Модуль магнитной индукции B

Увеличить рисунок · Источник: Д. Микер, [33]. Подпись и пояснение переведены для курса.

Касательная направлена по порядку точек. Нормаль направлена влево от касательной; поэтому обход тела по часовой стрелке даёт внешнюю нормаль. Если путь совпадает с материальным интерфейсом, FEMM читает поле с малым смещением в сторону этой нормали. Разворот контура меняет сторону чтения и знаки нормальной/касательной компонент; модули поля следует сравнивать отдельно от знаков.

Примеры текста руководства на с.44,62,75 содержат неточные названия разрывных компонент. На магнитном интерфейсе без поверхностного тока непрерывен Ht, а Bn непрерывен всегда; при смене \mu Bt и Hn могут изменяться скачком. В электростатике непрерывен Et, а D_n имеет скачок только при свободном поверхностном заряде; при смене \varepsilon обычно меняется En. В тепловой задаче с идеальным контактом непрерывны T и нормальный тепловой поток, но нормальный градиент меняется с k. Курс использует эти физические условия, а не буквальную ошибочную фразу.

Среднеквадратичная нормальная индукция вдоль контура

B_{n,\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac1\ell\int_C(\mathbf B\cdot\mathbf n)^2\,\mathrm dl}
(М.Н.11)
Исходник поясняет применение интеграла (B\cdot n)^{2} для периодического пространственного распределения. Деление на длину и корень превращают интеграл в среднеквадратичное значение вдоль пути.

Обозначения и единицы

  • C — контур длиной \ell, м; \mathbf n — единичная нормаль; \mathbf B — индукция, Тл; B_{n,\mathrm{rms}} — пространственное среднеквадратичное значение, Тл.

Условия применения. Формула дана для действительного пространственного распределения. Она не подменяет временное RMS комплексного фазора.

В PDF дано ядро (B.n)² и его назначение; нормированная RMS-запись раскрыта в курсе.

Не все интегралы используют тот же алгоритм, что график. Руководство отдельно указывает вычисление ряда потенциальных разностей из концов пути, длины из геометрии и численную выборку для напряжений Максвелла. Слово «точно» в описании алгоритма относится к представленному решению, а не к точному полю реального устройства. При сомнении проверяйте закон сохранения и сеточную сходимость.

Проверьте на своей модели

  • Постройте контур по стыку в обоих направлениях и сравните модули, ориентированные компоненты и точки со смещением в каждый материал.
  • Увеличьте число выборок без пересчёта, затем уточните сетку: объясните, какие изменения имеют вычислительный смысл.

Источник: [33]. § 2.3.9 · § 2.3.10 · § 2.5.4 · § 2.5.5 · § 2.7.4 · § 2.7.5 · § 2.9.4 · § 2.9.5

Изображение результата и исходные числа экспортируются отдельно

Edit/Copy as Bitmap копирует текущий вид в буфер как растровое изображение. Команды семейства savebitmap записывают такой вид в файл; воспроизводимый рисунок требует заранее задать окно, шкалу, отображаемую величину и подписи. Это изображение области модели, а не полный снимок нативного окна с панелями.

FEMM 5 не создаёт векторный экспорт. Старые команды savemetafile сохранены только для совместимости и не выполняют сохранение; отсутствие ошибки после их вызова не подтверждает появление файла. Перед включением рисунка в отчёт проверьте существование, размеры и читаемость реально полученного изображения.

Численные данные профиля сохраняют кнопкой Export в окне X-Y Plot в CSV с заголовками. Для отчёта полезны оба файла: рисунок показывает тенденцию, CSV сохраняет исходные отсчёты. Укажите единицы, длину контура, количество точек, сторону чтения на интерфейсе и состояние сглаживания. Наличие CSV не означает, что вычислительная модель или её сетка прошли проверку.

Проверьте на своей модели

  • Сохраните один график и его CSV, откройте оба и сопоставьте крайние значения.
  • Не включайте пустой или отсутствующий metafile в пакет; для воспроизводимого рисунка используйте реально поддерживаемый растровый экспорт.

Источник: [33]. § 2.10

Числовой график, карта поля и экспорт

makeplot строит зависимость выбранной величины вдоль текущего контура. NumPoints задаёт выборку графика, а не число конечных элементов. Если передать Filename, FEMM 5 записывает CSV с заголовком; старый четвёртый FileFormat принимается, но игнорируется. Изменение расширения имени файла не превращает CSV в изображение.

Встроенный plot принимает массив x и до семи массивов y с необязательными подписями и работает без внешнего CPython. Для сложного оформления, подграфиков, логарифмических осей, аннотаций и векторного файла можно подключить matplotlib. savebitmap сохраняет вид FEMM; savemetafile в Qt оставлен как совместимое имя и ничего не делает.

У showdensityplot порядок параметров различается: магнитная команда размещает type после верхней/нижней границ, а остальные модули — перед ними. У магнитной карты type строковый (bmag, breal, bimag, logb, hmag/hreal/himag, jmag/jreal/jimag), у других модулей он числовой. Вызов с −1 для настроек по умолчанию документирован у mo_showdensityplot; не переносите его на другие карты без проверки.

У всех showcontourplot число линий −1 означает использование настроек по умолчанию и позволяет сокращённый вызов с одним аргументом. Для обычного числа линий задавайте пределы. У mo/co дополнительный type выбирает real, imag или both; у стационарных eo/ho такого выбора нет. В тепловом описании lower_V/upper_V — сохранённые имена аргументов, но физическая величина изолиний — температура.

При сравнении режимов фиксируйте пределы карты, размер стрелок, состояние smoothing, положение контура и компоненту комплексной величины. Выбор реальной части зависит от фазы возбуждения, а модуль не сохраняет знак. Изображение и исходная числовая таблица должны сопровождать друг друга.

Таблица Р.46.1. Числовой график, карта поля и экспорт
КартаПорядок аргументов
mo_showdensityplotlegend,gscale,upper_B,lower_B,type
eo_showdensityplotlegend,gscale,type,upper_D,lower_D
ho/co_showdensityplotlegend,gscale,type,upper,lower
mo_showcontourplotnumcontours,lower_A,upper_A,type
eo/ho_showcontourplotnumcontours,lower_V,upper_V
co_showcontourplotnumcontours,lower_V,upper_V,type; скобка исправлена по описанию PDF

Проверьте на своей модели

  • Экспортируйте makeplot в CSV и убедитесь, что количество строк соответствует выбранной выборке.
  • Постройте два режима на одной шкале и отдельно подпишите выбранную комплексную компоненту.
  • Не применяйте параметры магнитной карты к тепловой по памяти.

Источник: [33]. § 3.7.1 · § 3.7.4 · § 3.9.4 · § 3.11.4 · § 3.13.4 · § 4.2

Разобранный численный пример

Два диэлектрика последовательно — аналитический эталон

Дано. Два слоя толщиной по 5 мм; \varepsilon_{r1}=2, \varepsilon_{r2}=4; площадь 0,001 м²; общее напряжение 100 В; свободного заряда на внутренней границе нет.

  1. Непрерывность D_n и отношение E_{1}/E_{2}=\varepsilon _{2}/\varepsilon _{1}=2 следуют из закона Гаусса.

  2. Общее падение напряжения распределяется как 66,6667 и 33,3333 В.

  3. Ёмкость равна 2,361 пФ; |E_{1}|=13333{,}3333\,\mathrm{В/м}, |E_{2}|=6666{,}6667\,\mathrm{В/м}.

Ответ: C = 2{,}36111675008\,\mathrm{пФ}; U_{1} = 66{,}6667\,\mathrm{В}; U_{2} = 33{,}3333\,\mathrm{В}.

Проверка: Потенциал непрерывен, нормальная напряжённость скачкообразна. Равенство E_{1}=E_{2} было бы ошибкой. Значения получены аналитически и сами по себе не подтверждают выполнения полевого расчёта FEMM.

Практикум в FEMM 5

Постройте V, E, D вдоль линии через два диэлектрика, экспортируйте таблицу и две карты с общей шкалой.

Таблица 4.5. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
g_{1}5мм
g_{2}5мм
\varepsilon_{r1}21
\varepsilon_{r2}41
  1. Откройте рабочую копию плоского конденсатора. Проведите вертикальную границу x=5\,\mathrm{мм} от y=0 до y=10\,\mathrm{мм}.
  2. Создайте два материала с относительными диэлектрическими проницаемостями 2 и 4 и разместите по одной метке в каждом слое.
  3. Не назначайте внутренней границе фиксированный потенциал: это граница материалов, а не третий электрод.
  4. После расчёта снимите значения в (4,5) и (6,5) мм. Сопоставьте нормальные D и E, затем найдите заряд правого электрода.

Ожидаемый результат. C = 2{,}36111675008\,\mathrm{пФ}; U_{1} = 66{,}6667\,\mathrm{В}; U_{2} = 33{,}3333\,\mathrm{В}. Для FEMM сравнение действительно только при совпадении идеализации и граничных условий.

Как проверить. Потенциал непрерывен, нормальная напряжённость скачкообразна. Равенство E_{1}=E_{2} было бы ошибкой. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Обработка и анализ результатов

Как отличить реальный скачок поля от эффекта шкалы или сглаживания?

  1. Экспортируйте профиль потенциала, поля и смещения через два диэлектрика с точками по обе стороны стыка.
  2. Сопоставьте полевые, зарядовые и энергетические величины с аналитическим контрольным пределом; проверьте потенциалы и зарядовый баланс.

С чем сравнить. Используйте определения поля, ёмкости и энергии из занятия. Однородный или слоистый зазор является пределом с заданными границами; локальный максимум у идеальной острой кромки требует отдельной оценки.

Итог работы. Подписанный профиль и общая шкала карт с объяснением поведения интерфейса.

Самостоятельная работа

Постройте V, E, D вдоль линии через два диэлектрика, экспортируйте таблицу и две карты с общей шкалой. Сопоставьте исходный и изменённый режимы, сохраните исходные файлы, результаты и объяснение различия.

Критерий выполнения: Оси и легенды имеют единицы; показаны точки по обе стороны стыка; E_{1}/E_{2}\approx 2, D_n совпадает; исходная таблица приложена к изображению.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 42–44, 60–62, 73–75, 84–86, 158–164
Пояснения и типичные ошибки
Какой профиль удобнее для проверки границы раздела диэлектриков?

Потенциал должен быть непрерывен; значения нормального D берут по обе стороны границы; E сравнивают со скачком проницаемости.

Какое контрольное число и единица проверяют этот опыт?

C = 2{,}36111675008\,\mathrm{пФ}; U_{1} = 66{,}6667\,\mathrm{В}; U_{2} = 33{,}3333\,\mathrm{В}.

При каких предположениях получена приведённая формула?

Плоские слои без свободного поверхностного заряда, линейные изотропные материалы.

На что обратить внимание

  • Рисунок без шкалы, единиц и настроек сглаживания нельзя использовать для количественного сравнения.
  • Плоские слои без свободного поверхностного заряда, линейные изотропные материалы.