FEMM 5

Часть II · Теория четырёх физических модулей FEMM → § 9 · Электростатика

Занятие 9.1

Электростатика: потенциал, заряд и уравнение Пуассона

Цель и задачи

Цель. Проверить ёмкость независимыми полевым и энергетическим способами.

Задачи

  • Выведите ёмкость однородного зазора из поля, смещения и полного заряда электрода.
  • Сохраните напряжение, заряд обоих электродов, энергию и геометрию эталона.
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. Согласуются ли заряд, энергия и аналитическая ёмкость плоского зазора?

Распределение напряжённости и ёмкость используются при выборе размеров промежутка и электродов. Отдельная проверка кромок показывает, какие геометрические подробности влияют на максимум поля.

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. Ёмкость плоского конденсатора без краевого поля — аналитический эталон. Проверьте поле, ёмкость или энергию в аналитическом зазорном пределе с теми же границами.

  3. Решите плоский конденсатор и восстановите C тремя способами: Q/U, 2W/U^{2} и \varepsilon S/g.. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сохраните напряжение, заряд обоих электродов, энергию и геометрию эталона.

  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. Три оценки ёмкости и зарядовый баланс с объяснением знака поля.

Данные именно этого опыта. Сохраните напряжение, заряд обоих электродов, энергию и геометрию эталона.

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. При U=200\,\mathrm{В} заряд удваивается, энергия увеличивается в четыре раза. При удвоении глубины C, Q, W удваиваются. 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. Три значения C согласованы в пределах 1%; сумма зарядов равна нулю в выбранном допуске; потенциал и поле имеют корректный знак.

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. Линейная электростатика даёт поле и энергию, но не критерий пробоя сама по себе. Параметры диэлектрика, состояние поверхности и физическое скругление требуют исходных данных.

Теория и вывод формул

Электростатическая задача объединяет соотношения E=-\nabla V и \operatorname{div} D=\rho. Для линейного диэлектрика материальная связь D=\varepsilon E приводит к уравнению потенциала -\operatorname{div} (\varepsilon \nabla V)=\rho.

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. (9.1) · Вывод контрольного соотношения

Физический и методический смысл

Электростатическое поле удовлетворяет E=-\nabla V и \operatorname{div} D=\rho. Для линейного диэлектрика D=\varepsilon E, поэтому -\operatorname{div} (\varepsilon \nabla V)=\rho.

Руководство рассматривает линейную электростатику. Объёмный заряд, поверхностный заряд и полный заряд проводника имеют разные размерности и вводятся разными объектами. Выбор опорного потенциала не меняет E, но необходим для однозначного V.

Напряжение от a к b определяется интегралом \int_a^b\mathbf E\cdot\mathrm d\mathbf l. В электростатике \mathbf E=-\nabla V, поэтому U_{ab}=V(a)-V(b) и результат не зависит от пути. Равенство U=El требует однородного поля и пути вдоль него. Заряд проводника получают как поток D через замкнутую охватывающую поверхность; произведение \sigma_s S допустимо лишь при равномерной поверхностной плотности заряда.

Вывод контрольного соотношения

Выведите ёмкость однородного зазора из поля, смещения и полного заряда электрода.

C=\frac{\varepsilon_0\varepsilon_r S}{g},\quad Q=CU,\quad W=\frac12 CU^2
(9.1)
Линейный диэлектрик; полный заряд электрода, а не плотность заряда; идеальные боковые условия исключают бахрому.
  1. Переведите g=0{,}01\,\mathrm{м} и S=0{,}01\cdot 0{,}1=0{,}001\,\mathrm{м^2}. Примите \varepsilon _{0}=8{,}8541878128\cdot 10^{-12}\,\mathrm{Ф/м}.

  2. Ёмкость равна 1,771·10⁻¹² Ф. Заряд электрода положительного потенциала равен +1{,}77083756256\cdot 10^{-10} Кл.

  3. Энергия равна 8,854·10⁻⁹ Дж; сумма зарядов двух электродов равна нулю.

Границы применимости. Линейный диэлектрик; полный заряд электрода, а не плотность заряда; идеальные боковые условия исключают бахрому.

Связь с опытом в FEMM

Решите плоский конденсатор и восстановите C тремя способами: Q/U, 2W/U^{2} и \varepsilon S/g.

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

Три значения C согласованы в пределах 1%; сумма зарядов равна нулю в выбранном допуске; потенциал и поле имеют корректный знак.

При U=200\,\mathrm{В} заряд удваивается, энергия увеличивается в четыре раза. При удвоении глубины C, Q, W удваиваются.

Задать напряжение между электродами и независимо навязать несовместимые заряды означает изменить или переопределить задачу.

Связь с общими определениями

Определения и границы применимости собраны в занятии Интегральные электрические величины. Используйте интегральную запись как исходную; алгебраические формулы применяйте после проверки перечисленных там условий.

Пояснения к официальному руководству

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

Формулы и таблицы руководства к этому занятию

Четыре физических приближения и единицы источников

Одна и та же двумерная геометрия допускает несколько физических постановок. Магнитный модуль учитывает электромагнитную индукцию и токи проводимости, пренебрегая током смещения; электростатический модуль описывает поле неподвижных зарядов. Модуль протекания тока учитывает токи проводимости и смещения в приближении, исключающем существенное влияние магнитной индукции, а тепловой модуль решает задачу теплопроводности. В каждом случае выбирается плоскопараллельная или осесимметричная геометрия. Такой выбор не расширяет состав физических явлений: пространственное распределение общего вида, распространение электромагнитных волн и гидродинамика требуют других моделей.

В магнитостатике исходными соотношениями служат ротор H, равный плотности свободного тока, и нулевая дивергенция B. Запись B = \operatorname{rot} A автоматически выполняет второе соотношение. При нелинейном материале следует оставлять проницаемость внутри дифференциального оператора. Заменить его постоянным множителем перед лапласианом допустимо лишь в однородной линейной изотропной области. Постоянный магнит требует дополнительного источника в материальном законе, как разобрано в занятии 8.4.

В магнитной гармонике используется временной множитель \exp (j\omega t). Проводящий ток складывается из вклада изменения векторного потенциала и вклада продольного электрического градиента потенциала. Последний обеспечивает ограничения полного тока в проводящих телах и цепях. Если оставить только слагаемое -j\omega \sigma A, можно получить неверный полный ток даже при визуально правдоподобном распределении вихревых токов. Отдельно заданную плотность возбуждения не следует второй раз включать в индуцированную составляющую.

Ротор градиента равен нулю

\nabla\times(\nabla\psi)=\mathbf0
(М.Н.2)
Поэтому поле, представленное отрицательным градиентом потенциала, автоматически удовлетворяет безвихревому условию электростатики.

Обозначения и единицы

  • \psi — достаточно гладкая скалярная функция; если \psi=V — электрический потенциал, В, то \nabla V имеет единицу В/м.

Условия применения. Обычные области гладкости; на разрывах нужно учитывать предельные значения и граничные условия.

В соседнем предложении PDF ошибочно назван закон Ампера. Здесь речь о статическом законе Фарадея, \operatorname{rot} E = 0.

В электростатике потенциальность E автоматически выполняет безвихревое условие Фарадея. В пояснении к (1.19) оригинал называет его законом Ампера; математически здесь используется именно \operatorname{rot} E = 0. Для кусочно неоднородной или анизотропной среды правильна дивергентная форма уравнения, а не одна глобальная постоянная \varepsilon перед лапласианом. В тепловом модуле величина G руководства равна -\operatorname{grad} T: это противоположность обычному математическому градиенту температуры. Плотность теплового потока F направлена от горячего к холодному.

Закон Гаусса для электрического смещения

\nabla\cdot\mathbf D=\rho
(М.1.16)
Дивергенция электрического смещения определяется свободным объёмным зарядом. Поток D через замкнутую поверхность равен охваченному заряду. На границе двух диэлектриков без свободного поверхностного заряда непрерывна нормальная D, тогда как нормальная E может изменяться.

Обозначения и единицы

  • \mathbf D — электрическое смещение, Кл/м².
  • \rho — плотность свободного объёмного заряда, Кл/м³.

Условия применения. Здесь используется электростатическая постановка. Поверхностный и точечный источники имеют другие размерности и не подставляются вместо \rho без соответствующего преобразования.

Безвихревое электрическое поле электростатики

\nabla\times\mathbf E=0
(М.1.17)
При отсутствии изменяющегося магнитного потока циркуляция E по замкнутому контуру равна нулю. Это позволяет описать поле одним скалярным потенциалом. На границе раздела диэлектриков касательная E непрерывна, даже когда диэлектрическая проницаемость меняется.

Обозначения и единицы

  • \mathbf E — напряжённость электрического поля, В/м.
  • Нулевой ротор не означает нулевую напряжённость.

Условия применения. Электростатика в области, где отсутствует внешняя индукционная ЭДС; глобальный однозначный потенциал требует согласованной топологии задачи.

Линейный закон диэлектрика

\mathbf D=\varepsilon\mathbf E
(М.1.18)
Диэлектрическая проницаемость связывает поле с электрическим смещением, а через закон Гаусса — с зарядом электродов. В интерфейсе вводят относительную \varepsilon _{r}, тогда как в этой формуле стоит абсолютная \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}. Увеличение \varepsilon при заданной геометрии и напряжении меняет заряд и запасённую энергию.

Обозначения и единицы

  • \varepsilon=\varepsilon_0\varepsilon_r — абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м.
  • \mathbf E — В/м; \mathbf D — Кл/м².

Условия применения. Скалярный закон относится к линейному изотропному диэлектрику. Анизотропия требует тензора; электростатический модуль не решает произвольную нелинейную зависимость D(E).

Определение электрического потенциала

\mathbf E=-\nabla V
(М.1.19)
Поле направлено в сторону уменьшения потенциала. Так как ротор градиента тождественно равен нулю, эта подстановка автоматически выполняет безвихревое условие Фарадея. Разность потенциалов определяется линейным интегралом E со знаком, зависящим от выбранного направления пути.

Обозначения и единицы

  • V — потенциал, В; \nabla V — В/м.
  • Добавление одной постоянной ко всем значениям V не меняет поле E.

Условия применения. Электростатика. Для единственного численного решения выбирают опорный потенциал или эквивалентное условие, устраняющее произвольную константу.

В пояснении оригинала ошибочно назван закон Ампера. Тождество \operatorname{rot} \operatorname{grad} V=0 обеспечивает именно статическое условие Фарадея \operatorname{rot} E=0.

Уравнение Пуассона электростатики

-\varepsilon\nabla^2 V=\rho
(М.1.20)
Объединение закона Гаусса с E=-\operatorname{grad} V даёт уравнение для потенциала. При отсутствии объёмного заряда оно становится уравнением Лапласа, но электрическое поле всё равно может создаваться зарядами на границах. Через интерфейсы материалов решатель должен согласовать потенциал и нормальный поток D.

Обозначения и единицы

  • \varepsilon — Ф/м; V — В; \rho — Кл/м³.
  • Общая дивергентная форма: -\nabla\cdot(\varepsilon\nabla V)=\rho.

Условия применения. Вынесенная за лапласиан скалярная \varepsilon постоянна внутри рассматриваемой области. При переменных свойствах или анизотропии используют дивергентную форму с соответствующим коэффициентом.

В формулах СИ плотность магнитного тока J имеет единицу А/м², объёмный электрический заряд \rho — Кл/м³, объёмное тепловыделение q — Вт/м³; это разные типы источников. Абсолютные коэффициенты \mu, \varepsilon, k и \sigma имеют единицы Гн/м, Ф/м, Вт/(м·К) и См/м. Поля интерфейса могут использовать кратные единицы, например МСм/м для проводимости магнитного материала; перед подстановкой в формулы их переводят в СИ. Электрический ток через вывод в амперах и объёмная плотность тока не взаимозаменяемы без площади и распределения.

Графическая оболочка femm_gui и движок femm_headless готовят и обрабатывают документы; fkn, belasolv, hsolv и csolv решают соответственно магнитные, электростатические, тепловые и токовые задачи. Генератор сетки tangle интегрирован в решатели. Поэтому отсутствие видимого окна само по себе не меняет физическую постановку, а успешный запуск оболочки ещё не подтверждает получение решения. Документ с исходными данными и файл результата должны соответствовать одной версии геометрии и свойств.

\nabla\times\left(\frac{1}{\mu(B)}\nabla\times\mathbf A\right)=\mathbf J,\qquad \mathbf B=\nabla\times\mathbf A
(Р.1.1)
Магнитостатическое уравнение для материала без постоянного магнитного источника; A измеряется в Вб/м.
\nabla\times\left(\frac{1}{\mu_{\text{эфф}}}\nabla\times\widehat{\mathbf A}\right)=-j\omega\sigma\widehat{\mathbf A}+\widehat{\mathbf J}_{\text{зад}}-\sigma\nabla\widehat V
(Р.1.2)
Гармоническая магнитная постановка неподвижной проводящей среды. Комплексные значения являются амплитудами; нелинейная эффективная проницаемость имеет ограничения приложения A.4.
\mathbf E=-\partial_t\mathbf A-\nabla V,\qquad\mathbf J_{\text{пров}}=-\sigma\partial_t\mathbf A-\sigma\nabla V
(Р.1.3)
Потенциальная и индукционная части электрического поля. Ротор градиента равен нулю, поэтому \operatorname{rot} E = -\operatorname{rot} \partial_t A; это промежуточная связь (1.10) перед (1.11)–(1.12).
\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf H)=0\quad\Longrightarrow\quad\nabla\cdot\mathbf J+\nabla\cdot\partial_t\mathbf D=0
(Р.1.4)
Переход (1.31)–(1.32) от закона Ампера–Максвелла к сохранению полного тока. При E = -\operatorname{grad} V и замене \partial t на j\omega получается токовое уравнение.
\mathbf F=k\mathbf G,\qquad\mathbf G=-\nabla T,\qquad\nabla\cdot\mathbf F=q
(Р.1.5)
Три тепловых соотношения (1.21)–(1.23) в обозначениях руководства. G измеряется в К/м, F — в Вт/м², q — в Вт/м³; их подстановка даёт -\operatorname{div} (k \operatorname{grad} T) = q.
-\frac1\mu\nabla^2\mathbf A=\mathbf J,\qquad-\varepsilon\nabla^2V=\rho,\qquad-(\sigma+j\omega\varepsilon)\nabla^2\widehat V=0,\qquad-\sigma\nabla^2V=0
(Р.1.6)
Локальные сокращения для однородных линейных изотропных областей; для векторного магнитного равенства дополнительно используется калибровка \operatorname{div} A = 0. Последнее равенство — предел токовой задачи при нулевой частоте. На интерфейсах возвращаются к дивергентной форме.
-\nabla\cdot(\boldsymbol\varepsilon\nabla V)=\rho,\qquad -\nabla\cdot(\mathbf k\nabla T)=q,\qquad -\nabla\cdot[(\boldsymbol\sigma+j\omega\boldsymbol\varepsilon)\nabla\widehat V]=0
(Р.1.7)
Электростатика, стационарная теплопроводность и гармоническое протекание тока без внутренних источников полного тока. Жирные материальные коэффициенты допускают тензорное представление; упрощение до лапласиана требует постоянных скалярных коэффициентов.

Проверьте на своей модели

  • Для токовой задачи при частоте, стремящейся к нулю, ёмкостный член должен исчезнуть; для магнитной задачи с нулевой проводимостью исчезают вихревые токи.
  • При переносе джоулевых потерь в тепловую модель передавайте Вт/м³ либо согласованную полную мощность, а не электрическую плотность тока.
  • Перед расчётом укажите, какой отброшенный член уравнений мал именно для выбранного устройства и наблюдаемой величины.

Источник: [33]. § 1 · § 1.2 · § 1.3 · § 1.3.1 · § 1.3.2 · § 1.3.3 · § 1.3.4 · § 1.3.5

Разобранный численный пример

Ёмкость плоского конденсатора без краевого поля — аналитический эталон

Дано. Зазор g=10\,\mathrm{мм}; высота электрода 10 мм; глубина 100 мм; S=0{,}001\,\mathrm{м^2}; \varepsilon_r=2; U=100\,\mathrm{В}.

  1. Переведите g=0{,}01\,\mathrm{м} и S=0{,}01\cdot 0{,}1=0{,}001\,\mathrm{м^2}. Примите \varepsilon _{0}=8{,}8541878128\cdot 10^{-12}\,\mathrm{Ф/м}.

  2. Ёмкость равна 1,771·10⁻¹² Ф. Заряд электрода положительного потенциала равен +1{,}77083756256\cdot 10^{-10} Кл.

  3. Энергия равна 8,854·10⁻⁹ Дж; сумма зарядов двух электродов равна нулю.

Ответ: C = 1{,}77083756256\,\mathrm{пФ}; Q+ = 177{,}083756256 пКл; W = 8{,}8541878128 нДж.

Проверка: При U=200\,\mathrm{В} заряд удваивается, энергия увеличивается в четыре раза. При удвоении глубины C, Q, W удваиваются. Значения получены аналитически и сами по себе не подтверждают выполнения полевого расчёта FEMM.

Практикум в FEMM 5

Решите плоский конденсатор и восстановите C тремя способами: Q/U, 2W/U^{2} и \varepsilon S/g.

Таблица 9.1. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Зазор10мм
Глубина100мм
\varepsilon_r21
U100В
  1. Создайте Electrostatics Problem; Problem Definition: millimeters, Planar, Depth=100, Precision=1e-8.
  2. Постройте узлы (0,0), (10,0), (10,10), (0,10), соедините четырьмя отрезками. Добавьте одну метку внутри; \varepsilon_x=\varepsilon_y=2.
  3. Задайте проводникам имена left и right: потенциалы 0 и 100 В. Назначьте проводники соответствующим вертикальным отрезкам; не дублируйте их независимыми зарядовыми условиями.
  4. После решения откройте Conductor Properties и прочитайте V, Q. Выделите весь диэлектрик и найдите энергию блоковым интегралом. Вычислите C=Q_{\mathrm{right}}/100 и сравните с 2W/100^{2}.

Ожидаемый результат. C = 1{,}77083756256\,\mathrm{пФ}; Q+ = 177{,}083756256 пКл; W = 8{,}8541878128 нДж. Для FEMM сравнение действительно только при совпадении идеализации и граничных условий.

Как проверить. При U=200\,\mathrm{В} заряд удваивается, энергия увеличивается в четыре раза. При удвоении глубины C, Q, W удваиваются. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Обработка и анализ результатов

Согласуются ли заряд, энергия и аналитическая ёмкость плоского зазора?

  1. Сохраните напряжение, заряд обоих электродов, энергию и геометрию эталона.
  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. Три оценки ёмкости и зарядовый баланс с объяснением знака поля.

Расчётные исследования по теме

Изучите физическую постановку, выполните программу во встроенном Python FEMM 5 и проверьте результаты по сохранённым моделям и независимым критериям.

  • Ёмкость коаксиального кабеля: заряд, энергия и поле

    Определите ёмкость участка коаксиального кабеля двумя способами и проверьте радиальный закон поля. Круговая геометрия позволяет отличить ошибку интегральной ёмкости от локальной ошибки градиента потенциала.

    Решений FEMM: 3 · Численных проверок: 8

  • Граница двух диэлектриков: D непрерывно, E меняется

    Проверьте на одной задаче три условия: непрерывность потенциала, непрерывность нормальной D и скачок нормальной E. Сравните FEMM с последовательным соединением плоских диэлектрических слоёв.

    Решений FEMM: 3 · Численных проверок: 12

  • Профиль Роговского: конформное поле и распределение напряжённости

    Профилирование электродов позволяет уменьшить концентрацию электрического поля у их краёв. Произвольное скругление не даёт готового аналитического распределения, поэтому в этой работе выбран профиль, построенный конформным преобразованием. Его потенциал, поле и ёмкость расчётного фрагмента определяются независимо от FEMM и служат проверкой геометрии.

    Решений FEMM: 3 · Численных проверок: 16

  • Дифференциальная пара: матрица ёмкостей и квазистатическое сопротивление

    Дифференциальная пара имеет две связанные сигнальные полосы и общий опорный проводник. Её электрические свойства описываются матрицей ёмкостей, а не суммой двух независимых одиночных линий. В этой работе матрица определяется в реальном диэлектрическом сечении и в вакуумном контрольном сечении; затем вычисляется дифференциальное волновое сопротивление в квазиTEM приближении.

    Решений FEMM: 12 · Численных проверок: 41

  • Ёмкость проволочного кольца: полное тело вращения и тонкое кольцо

    Изолированное проволочное кольцо является трёхмерным телом, но его осевая симметрия позволяет вычислить ёмкость в FEMM без трёхмерного решателя. Круг в плоскости r–z представляет сечение проволоки; после вращения он образует тор. Работа проверяет правильный геометрический вес полного тела и сравнивает результат с приближением тонкого кольца.

    Решений FEMM: 9 · Численных проверок: 21

Все темы учебного практикума

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.

Геометрия коаксиального кабеля: внутренняя жила, круговая граница оболочки и русское имя материала изоляции. Размеры заданы в миллиметрах.
Геометрия коаксиального кабеля: внутренняя жила, круговая граница оболочки и русское имя материала изоляции. Размеры заданы в миллиметрах. Открыть в полном размере
Сохранённое электростатическое решение коаксиального кабеля. Цвет показывает потенциал V в вольтах; чёрные линии — эквипотенциали. Жила имеет потенциал 1 В, оболочка — 0 В.
Сохранённое электростатическое решение коаксиального кабеля. Цвет показывает потенциал V в вольтах; чёрные линии — эквипотенциали. Жила имеет потенциал 1 В, оболочка — 0 В. Открыть в полном размере
Рабочая область модели «Граница двух диэлектриков: D непрерывно, E меняется». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Граница двух диэлектриков: D непрерывно, E меняется». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Граница двух диэлектриков: D непрерывно, E меняется». Электрический потенциал V, В. Изменение густоты эквипотенциалей на границе слоёв.
Сохранённое решение «Граница двух диэлектриков: D непрерывно, E меняется». Электрический потенциал V, В. Изменение густоты эквипотенциалей на границе слоёв. Открыть в полном размере
Рабочая область модели «Профиль Роговского: конформное поле и распределение напряжённости». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Профиль Роговского: конформное поле и распределение напряжённости». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Профиль Роговского: конформное поле и распределение напряжённости». Электрический потенциал V, В, между профилированными электродами; диапазон −100…100 В.
Сохранённое решение «Профиль Роговского: конформное поле и распределение напряжённости». Электрический потенциал V, В, между профилированными электродами; диапазон −100…100 В. Открыть в полном размере
Рабочая область модели «Дифференциальная пара: матрица ёмкостей и квазистатическое сопротивление». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Дифференциальная пара: матрица ёмкостей и квазистатическое сопротивление». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Дифференциальная пара: матрица ёмкостей и квазистатическое сопротивление». Электростатический потенциал V, В: один базисный режим возбуждения дифференциальной пары для определения её параметров.
Сохранённое решение «Дифференциальная пара: матрица ёмкостей и квазистатическое сопротивление». Электростатический потенциал V, В: один базисный режим возбуждения дифференциальной пары для определения её параметров. Увеличенная область около пары; верхняя удалённая граница за кадром. Открыть в полном размере
Увеличенное сечение проволочного кольца: центр r = 20 мм, z = 0; радиус проволоки 0,25 мм. Показан меридиональный разрез тела вращения; ось и удалённая граница за кадром.
Увеличенное сечение проволочного кольца: центр r = 20 мм, z = 0; радиус проволоки 0,25 мм. Показан меридиональный разрез тела вращения; ось и удалённая граница за кадром. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Ёмкость проволочного кольца: полное тело вращения и тонкое кольцо». Потенциал V, В, в увеличенной области проволочного кольца. Слева видна ось r = 0; прямоугольник — вспомогательная область сгущения сетки; удалённая сферическая граница за кадром.
Сохранённое решение «Ёмкость проволочного кольца: полное тело вращения и тонкое кольцо». Потенциал V, В, в увеличенной области проволочного кольца. Слева видна ось r = 0; прямоугольник — вспомогательная область сгущения сетки; удалённая сферическая граница за кадром. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Решите плоский конденсатор и восстановите C тремя способами: Q/U, 2W/U^{2} и \varepsilon S/g. Сопоставьте исходный и изменённый режимы, сохраните исходные файлы, результаты и объяснение различия.

Критерий выполнения: Три значения C согласованы в пределах 1%; сумма зарядов равна нулю в выбранном допуске; потенциал и поле имеют корректный знак.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 12–13, 52–65
  2. Отдельные учебные эталоны: аналитическое решение, нативные файлы — Условия задачи, параметры и границы применимости указаны на странице эталонов.
Пояснения и типичные ошибки
Чем отличается заряд \rho от заряда Q?

\rho — объёмная плотность в Кл/м³, Q — полный заряд в Кл после интегрирования.

Какое контрольное число и единица проверяют этот опыт?

C = 1{,}77083756256\,\mathrm{пФ}; Q+ = 177{,}083756256 пКл; W = 8{,}8541878128 нДж.

При каких предположениях получена приведённая формула?

Линейный диэлектрик; полный заряд электрода, а не плотность заряда; идеальные боковые условия исключают бахрому.

На что обратить внимание

  • Задать напряжение между электродами и независимо навязать несовместимые заряды означает изменить или переопределить задачу.
  • Линейный диэлектрик; полный заряд электрода, а не плотность заряда; идеальные боковые условия исключают бахрому.