FEMM 5

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

Занятие 9.4

Проводники с заданным потенциалом и зарядом; плавающий электрод

Цель и задачи

Цель. Различать заданные и найденные величины проводника.

Задачи

  • Перейдите от задачи с заданным U к задаче с заданным Q=CU и проверьте обратное восстановление напряжения.
  • Сохраните заряды и потенциалы рабочих электродов и нейтрального плавающего электрода.
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. Восстанавливает ли заданный заряд прежнее напряжение и как определяется плавающий потенциал?

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. Повторите конденсатор с заданным зарядом правого электрода и потенциалом левого; затем добавьте нейтральный плавающий электрод в симметричном зазоре.. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сохраните заряды и потенциалы рабочих электродов и нейтрального плавающего электрода.

  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. Сравнение обратной задачи и плавающего электрода без назначения ему напряжения вручную.

Данные именно этого опыта. Сохраните заряды и потенциалы рабочих электродов и нейтрального плавающего электрода.

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. Для исходного Q=177{,}083756256 пКл восстановлено U\approx 100\,\mathrm{В}; у нейтрального электрода общий заряд около нуля, а потенциал не назначен вручную.

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

Проводник объединяет принадлежащие ему границы условием эквипотенциальности. Задание потенциала позволяет определить заряд, а задание полного заряда — найти неизвестный потенциал, в том числе для плавающего электрода.

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. (9.13) · Вывод контрольного соотношения

Физический и методический смысл

Проводник объединяет принадлежащие ему границы в одну эквипотенциальную систему. Можно задать потенциал и получить заряд либо задать полный заряд и определить потенциал.

Плавающий проводник с нулевым суммарным зарядом не обязан иметь нулевой потенциал. На разных участках его поверхности могут возникать заряды противоположных знаков. Несвязанные на рисунке части с одним именем проводника считаются электрически соединёнными.

Вывод контрольного соотношения

Перейдите от задачи с заданным U к задаче с заданным Q=CU и проверьте обратное восстановление напряжения.

C=\frac{\varepsilon_0\varepsilon_r S}{g},\quad Q=CU,\quad W=\frac12 CU^2
(9.13)
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

Повторите конденсатор с заданным зарядом правого электрода и потенциалом левого; затем добавьте нейтральный плавающий электрод в симметричном зазоре.

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

Для исходного Q=177{,}083756256 пКл восстановлено U\approx 100\,\mathrm{В}; у нейтрального электрода общий заряд около нуля, а потенциал не назначен вручную.

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

Нейтральный проводник — это Q=0, а не V=0. Для абсолютного уровня потенциала нужен хотя бы один опорный электрод.

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.2.27 · Диалог «Свойство узла»
  2. М.2.31 · Диалог «Свойства проводника»
Формулы и таблицы руководства к этому занятию

Естественная граница, опорный потенциал и совместимость источников

Неназначенная внешняя граница FEMM по умолчанию получает однородное условие Неймана. Это определённое математическое условие, а не отсутствие влияния границы. В плоскопараллельной магнитной задаче оно заставляет поток пересекать границу нормально; постоянный A на границе, напротив, запрещает нормальную компоненту потока. В электростатике однородное естественное условие означает нулевой нормальный электрический поток, а не заземление.

Если во всей связной области задана только нормальная производная потенциала, к решению можно прибавить произвольную постоянную. Поле при этом не изменится, но матрица имеет нулевую моду. Значение потенциала на подходящей границе или в опорной точке устраняет эту неопределённость. Для нескольких не связанных друг с другом областей проверяют каждую независимую компоненту. Периодическая связь равных потенциалов сама по себе не всегда устраняет общий постоянный сдвиг.

Электростатическое Nodal Property с выбором заданного потенциала либо Point Charge Density; на поле источника указано C/m.

Рисунок М.2.27. Диалог «Свойство узла»

Заданный потенциал может фиксировать электрическую опору, а точечный зарядовый источник — задавать сосредоточенное возбуждение. В плоском сечении подпись C/m относится к линейному источнику вдоль отсутствующего направления; её нельзя подменять объёмной плотностью Кл/м³ или полным зарядом электрода.

Обозначения на рисунке

Specified Potential Property
Заданный потенциал
Point Charge Density Property
Точечный зарядовый источник
Specified Potential
Заданное значение потенциала
Point Charge Density, C/m
Линейная плотность точечного зарядового источника, Кл/м

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

Кроме единственности нужна совместимость источников и потоков. Если все электрические границы изолированы, ненулевой суммарный объёмный заряд не согласуется с нулевым выходящим потоком D. Аналогично стационарное положительное тепловыделение требует пути отвода тепла. Искусственная фиксация одного узла при несовместимом балансе не превращает изолированное устройство в физически корректную модель: этот узел фактически становится неописанным стоком.

Регулярность магнитного потенциала на оси

\left.A_\theta\right|_{r=0}=0
(М.Н.5)
В осесимметричной магнитной задаче на оси действует специальное условие регулярности. Нулевой электрический потенциал на оси из него не следует.

Обозначения и единицы

  • r — радиальная координата, м; A_\theta — окружная компонента магнитного векторного потенциала, Вб/м.

Условия применения. Гладкое конечное магнитное поле вблизи оси. Электростатический потенциал V на r=0 может быть ненулевым.

Ненумерованное соотношение из текста руководства; обозначения и условия раскрыты для курса.

Осесимметричная магнитная задача имеет особый случай: FEMM автоматически обеспечивает A_{\theta } = 0 на оси r = 0. Если часть границы действительно лежит на оси, это может обеспечить нужную опору и без отдельного свойства Дирихле. В электростатике ось не является заземлённым электродом: V на ней может быть ненулевым. Поэтому переносить магнитное правило A_{\theta } = 0 на электрический потенциал нельзя.

Периодическая и антипериодическая пара

u_2=u_1\quad\text{или}\quad u_2=-u_1
(М.Н.6)
Сопоставленные точки двух границ получают одинаковые либо противоположные значения потенциала. Одно свойство периодичности связывает одну пару соответствующих участков.

Обозначения и единицы

  • u — потенциал соответствующего модуля: магнитный A, Вб/м, или электрический V, В; индексы 1 и 2 обозначают парные точки.

Условия применения. Геометрическое соответствие пары и физическая симметрия источников обязательны.

В PDF равенство сформулировано словами; курс записывает его математически и сохраняет различие знаков.

Периодическое условие связывает значения на соответствующих точках двух сторон, антипериодическое меняет их знак. Такое условие обосновывается симметрией геометрии, материалов и источников вместе. Выбор половины или сектора только по внешнему виду рисунка недостаточен: встречные токи либо полюса могут менять требуемую связь.

-\nabla\cdot(a\nabla u)=s\quad\Longrightarrow\quad -\oint_{\partial\Omega}a\,\partial_nu\,dS=\int_\Omega s\,dV
(Р.2.1)
Условие совместимости чистой задачи Неймана для скалярного положительного коэффициента a. При нулевом потоке слева суммарный источник справа должен равняться нулю.

Проверьте на своей модели

  • Для изолированной области с ненулевым суммарным источником сначала исправьте физический баланс, затем выбирайте опорный потенциал.
  • В осесимметричном конденсаторе проверьте, что ось не получила V = 0 только по аналогии с магнитным расчётом.

Источник: [33]. § 1.4 · § 1.4.1

Электростатические свойства и выключенные поля проводника

В Material Properties задают относительные \varepsilon _{x}, \varepsilon _{y} и объёмную плотность свободного заряда \rho в Кл/м³. Смена единицы геометрии не меняет эту единицу источника. Анизотропные направления связаны с координатами задачи; ориентацию материала проверяют до интерпретации наклона векторов.

Boundary поддерживает Fixed Voltage, Mixed, Surface Charge Density, Periodic и Antiperiodic. Поверхностный заряд может назначаться внутреннему интерфейсу либо отдельному сегменту; это исключение из обычного использования условий на внешней границе. Для периодичности каждая связь соединяет только одну пару согласованных рёбер.

Смешанное электростатическое граничное условие

\varepsilon_r\varepsilon_0\frac{\partial V}{\partial n}+c_0V+c_1=0
(М.2.17)
Условие связывает потенциал с нормальной производной. Поскольку D_n =-\varepsilon \partial V/\partial n, оно эквивалентно D_n =c_{0}V+c_{1}. При c_{0}=0 задаётся нормальное смещение, а при c_{1}=0 подходящая связь может приближать продолжение поля во внешнюю область.

Обозначения и единицы

  • V — В; \varepsilon_r\varepsilon_0 — Ф/м; n — внешняя нормаль.
  • c_0 — Ф/м²; c_1 — Кл/м²; все слагаемые имеют единицу Кл/м².

Условия применения. Скалярная \varepsilon на внешней границе изотропной области. Нормальный D на внешней границе не следует смешивать со скачком D_n, создаваемым свободным зарядом на внутреннем интерфейсе.

В Conductor Properties выбирают Prescribed charge либо Prescribed voltage. Поле второй величины неактивно, потому что её найдёт решатель. Один проводник может объединять геометрически раздельные поверхности: их потенциал общий, заряд суммируется. Поэтому заданный V как проводник удобнее простого Fixed Voltage, когда нужно автоматически получить общий Q. Нейтральный плавающий электрод задают суммарным Q=0 при наличии опоры потенциала в остальной задаче.

Электростатический Conductor Properties с выбранным Prescribed charge: поле заряда активно, поле напряжения выключено.

Рисунок М.2.31. Диалог «Свойства проводника»

При заданном полном заряде решатель находит общий потенциал проводника. Значение Q = 0 может описывать нейтральный плавающий электрод, если опора потенциала обеспечена в остальной задаче. Неактивное поле напряжения не является одновременно наложенным V = 0.

Обозначения на рисунке

Prescribed charge
Заданный полный заряд
Voltage (V)
Потенциал, В
Charge (C)
Полный заряд, Кл

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

Проверьте на своей модели

  • Переключите тип проводника в копии модели и объясните, какое число стало входным, а какое результатом.
  • Не превращайте внутренний стык диэлектриков в электрод; отдельно задавайте заряд только при его физическом наличии.

Источник: [33]. § 2.4 · § 2.4.1 · § 2.4.2

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

Повторите конденсатор с заданным зарядом правого электрода и потенциалом левого; затем добавьте нейтральный плавающий электрод в симметричном зазоре.

Таблица 9.4. 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

Восстанавливает ли заданный заряд прежнее напряжение и как определяется плавающий потенциал?

  1. Сохраните заряды и потенциалы рабочих электродов и нейтрального плавающего электрода.
  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. Сравнение обратной задачи и плавающего электрода без назначения ему напряжения вручную.

Расчётные исследования по теме

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

  • Сферический конденсатор: заданный заряд и осевая симметрия

    Задайте заряд изолированной внутренней сферы и найдите её потенциал, ёмкость и энергию. Этот пример показывает, как вращение меридионального сечения восстанавливает объём сферы без ручного множителя 2πr.

    Решений FEMM: 3 · Численных проверок: 11

  • Два провода: ёмкость и контроль открытой области

    Найдите взаимную ёмкость двух проводов разных радиусов. Здесь требуется контролировать и сетку около тонкого провода, и удаление искусственной внешней границы.

    Решений FEMM: 4 · Численных проверок: 11

  • 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.

    Решений FEMM: 3 · Численных проверок: 12

  • Провод над землёй: метод изображений и внешняя граница

    Вычислите погонную ёмкость провода над идеально проводящей землёй. Сравните конечную FEMM-область с точным решением методом изображений и оцените влияние её верхней границы.

    Решений FEMM: 4 · Численных проверок: 7

  • Проходной изолятор: поле плавающего конического экрана

    Добавьте электрически изолированный конический экран в осесимметричный изолятор. Определите его неизвестный потенциал и проследите, как экран изменяет ёмкость и распределение поля.

    Решений FEMM: 6 · Численных проверок: 14

  • Трёхжильный кабель: матрица Максвелла и взаимность

    Восстановите полную матрицу ёмкостных коэффициентов трёх фаз внутри общего экрана. Каждый её столбец получается отдельным единичным возбуждением; взаимность и симметрия становятся независимыми численными проверками.

    Решений FEMM: 9 · Численных проверок: 25

  • Закруглённая игла над плоскостью: поле в малом промежутке

    Постройте осесимметричную иглу с полусферическим концом и исследуйте поле в зазоре над заземлённой плоскостью. Определите, насколько точная ёмкость гарантирует точность локального поля около конца иглы.

    Решений FEMM: 4 · Численных проверок: 8

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.

Осесимметричная модель сферического конденсатора в FEMM 5: показано меридиональное сечение при r ≥ 0 и вакуум между сферическими электродами.
Осесимметричная модель сферического конденсатора в FEMM 5: показано меридиональное сечение при r ≥ 0 и вакуум между сферическими электродами. Открыть в полном размере
Нативное решение сферического конденсатора с заданным зарядом: потенциал V в вольтах и эквипотенциали в меридиональном сечении.
Нативное решение сферического конденсатора с заданным зарядом: потенциал V в вольтах и эквипотенциали в меридиональном сечении. Открыть в полном размере
Рабочая область двухпроводной электростатической модели. Увеличены проводники и окружающий воздух; внешняя открытая область продолжается за пределами кадра.
Рабочая область двухпроводной электростатической модели. Увеличены проводники и окружающий воздух; внешняя открытая область продолжается за пределами кадра. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Два провода: ёмкость и контроль открытой области». Цвет показывает потенциал V в вольтах; чёрные линии — эквипотенциали. Увеличена область около проводов.
Сохранённое решение «Два провода: ёмкость и контроль открытой области». Цвет показывает потенциал V в вольтах; чёрные линии — эквипотенциали. Увеличена область около проводов. Открыть 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
Рабочая область провода над заземлённой плоскостью. Вспомогательные окружности задают локальные области сетки; удалённая внешняя граница за кадром.
Рабочая область провода над заземлённой плоскостью. Вспомогательные окружности задают локальные области сетки; удалённая внешняя граница за кадром. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Провод над землёй: метод изображений и внешняя граница». Потенциал V, В, и эквипотенциали провода над заземлённой плоскостью; увеличенная рабочая область.
Сохранённое решение «Провод над землёй: метод изображений и внешняя граница». Потенциал V, В, и эквипотенциали провода над заземлённой плоскостью; увеличенная рабочая область. Открыть в полном размере
Рабочая область модели «Проходной изолятор: поле плавающего конического экрана». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Проходной изолятор: поле плавающего конического экрана». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Проходной изолятор: поле плавающего конического экрана». Электрический потенциал V, В, и эквипотенциали в проходном изоляторе с внутренним экраном.
Сохранённое решение «Проходной изолятор: поле плавающего конического экрана». Электрический потенциал V, В, и эквипотенциали в проходном изоляторе с внутренним экраном. Открыть в полном размере
Рабочая область модели «Трёхжильный кабель: матрица Максвелла и взаимность». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Трёхжильный кабель: матрица Максвелла и взаимность». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Трёхжильный кабель: матрица Максвелла и взаимность». Базисное поле для матрицы ёмкостей: потенциал V, В, при возбуждении одной жилы напряжением 1 В.
Сохранённое решение «Трёхжильный кабель: матрица Максвелла и взаимность». Базисное поле для матрицы ёмкостей: потенциал V, В, при возбуждении одной жилы напряжением 1 В. Открыть в полном размере
Рабочая область осесимметричной модели «игла — плоскость»: скруглённое острие, воздушный промежуток и заземлённая плоскость. Удалённые границы за кадром.
Рабочая область осесимметричной модели «игла — плоскость»: скруглённое острие, воздушный промежуток и заземлённая плоскость. Удалённые границы за кадром. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Закруглённая игла над плоскостью: поле в малом промежутке». Потенциал V, В, и эквипотенциали в увеличенной рабочей области осесимметричной модели «игла — плоскость».
Сохранённое решение «Закруглённая игла над плоскостью: поле в малом промежутке». Потенциал V, В, и эквипотенциали в увеличенной рабочей области осесимметричной модели «игла — плоскость». Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Повторите конденсатор с заданным зарядом правого электрода и потенциалом левого; затем добавьте нейтральный плавающий электрод в симметричном зазоре. Сопоставьте исходный и изменённый режимы, сохраните исходные файлы, результаты и объяснение различия.

Критерий выполнения: Для исходного Q=177{,}083756256 пКл восстановлено U\approx 100\,\mathrm{В}; у нейтрального электрода общий заряд около нуля, а потенциал не назначен вручную.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 57–59, 65, 119–120, 127–128
Пояснения и типичные ошибки
Можно ли назначить одно имя двум раздельным частям?

Да, если они физически электрически соединены вне сечения; это предположение нужно записать.

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

  • Нейтральный проводник — это Q=0, а не V=0. Для абсолютного уровня потенциала нужен хотя бы один опорный электрод.
  • Линейный диэлектрик; полный заряд электрода, а не плотность заряда; идеальные боковые условия исключают бахрому.