FEMM 5

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

Занятие 9.1

Электростатика: потенциал, заряд и уравнение Пуассона

Электростатический конденсатор. Сохранённое решение FEMM 5. Узловой скаляр сохранённой модели. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.
Электростатический конденсатор1 — DielectricСохранённое решение FEMM 5. Узловой скаляр сохранённой модели. b и h — размеры выделенной геометрии между крайними поверхностями по координатам; пропорции сечения сохранены.Открыть SVG целикомРезультат отдельноИсходная учебная модель

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 \nabla\cdot D=\rho. Для линейного диэлектрика материальная связь D=\varepsilon E приводит к уравнению потенциала -\nabla\cdot (\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

Электростатическое поле

Поле неподвижных зарядов

Электростатика — первая ступень лестницы приближений из урока об уравнениях Максвелла: заряды неподвижны, токов нет, ничего не зависит от времени. Из четырёх уравнений остаются два, ∇×E=0,∇⋅D=ρ,\nabla\times \uE=0,\qquad \nabla\cdot \uD=\rho , и материальное уравнение D=εE\uD=\varepsilon\uE. Несмотря на простоту, эта модель описывает огромный класс инженерных задач: изоляцию высоковольтных устройств, конденсаторы, электроды электрофильтров, распределение поля в кабелях и проходных изоляторах. Главный практический вопрос почти всегда один: где напряжённость максимальна и не превысит ли она электрическую прочность изоляции.

В этом уроке мы связываем четыре величины — E\uE, φ\varphi, D\uD, ρ\rho, — разбираемся, как ведут себя в поле проводники и диэлектрики, выводим уравнения Пуассона и Лапласа и решаем их в трёх одномерных геометриях, которые служат эталонами для всего дальнейшего курса.

Напряжённость и потенциал

Напряжённость электрического поля

E\uE — сила, действующая на единичный положительный пробный заряд: F=qE\vec F=q\uE. Единица — В/м (то же, что Н/Кл). Пробный заряд считается столь малым, что не искажает поле.

Уравнение ∇×E=0\nabla\times \uE=0 — не просто формула, а разрешение ввести потенциал. По теореме Стокса циркуляция E\uE по любому замкнутому контуру равна нулю: ∮LE⋅dl=0\oint_L\uE\cdot\dl=0. Значит, линейный интеграл между двумя точками не зависит от пути, и можно определить функцию точки

Электрический потенциал

φ(r)=−∫r0rE⋅dl,E=−∇φ,\varphi(\ur)=-\int_{\ur_0}^{\ur}\uE\cdot\dl , \qquad \uE=-\nabla \varphi , где r0\ur_0 — произвольная опорная точка, в которой φ=0\varphi=0 («земля»). Единица — В. Разность потенциалов (напряжение) UAB=φA−φB=∫ABE⋅dlU_{AB}=\varphi_A-\varphi_B=\int_A^B\uE\cdot\dl — работа поля по переносу единичного заряда из AA в BB; она от выбора r0\ur_0 не зависит.

Связь E=−∇φ\uE=-\nabla \varphi автоматически обеспечивает ∇×E=0\nabla\times \uE=0, так как ∇×∇φ≡0\nabla\times \nabla \varphi\equiv0 (урок о теоремах). Обратное — что всякое безвихревое поле есть градиент — верно в односвязной области; именно это и доказано выше через независимость интеграла от пути. Знак «минус» выбран так, чтобы E\uE указывало в сторону убывания потенциала, от «плюса» к «минусу». В поле с ∂B/∂t≠0\partial\uB/\partial t\ne0 циркуляция E\uE отлична от нуля, и скалярного потенциала в этом смысле не существует — потенциал есть достояние электростатики и квазиэлектростатики.

Переход от трёх компонент E\uE к одной функции φ\varphi — главное упрощение электростатики. Все дальнейшие уравнения записываются для φ\varphi, а E\uE восстанавливается дифференцированием.

Теорема Гаусса и электрическое смещение

Второе уравнение в интегральной форме —

Теорема Гаусса

∮SD⋅n dS=∫Vρ dV=Qсвоб,∇⋅D=ρ.\oint_S\uD\cdot\un\,\dS=\int_V\rho\,\dV=Q_{\mathrm{своб}}, \qquad \nabla\cdot \uD=\rho . Поток смещения через замкнутую поверхность равен свободному заряду внутри неё.

Почему в теореме Гаусса стоит D\uD, а не E\uE? В диэлектрике внешнее поле смещает связанные заряды молекул: положительные — по полю, отрицательные — против. Вещество поляризуется; мерой служит поляризованность P\vec P — дипольный момент единицы объёма (Кл/м²). Там, где P\vec P неоднородна, в объём «втекает» больше связанного заряда, чем «вытекает», и возникает объёмная плотность связанного заряда ρсв=−∇⋅P\rho_{\mathrm{св}}=-\nabla\cdot \vec P; на поверхности диэлектрика появляется связанный поверхностный заряд σсв=Pn\sigma_{\mathrm{св}}=P_n. Полное поле E\uE создаётся всеми зарядами — и свободными, которыми мы управляем, и связанными, которые нам неизвестны заранее: ∇⋅(ε0E)=ρ+ρсв=ρ−∇⋅P⇒∇⋅(ε0E+P)=ρ.\nabla\cdot (\varepsilon_0\uE)=\rho+\rho_{\mathrm{св}}=\rho-\nabla\cdot \vec P \quad\Rightarrow\quad \nabla\cdot (\varepsilon_0\uE+\vec P)=\rho .

Электрическое смещение

D=ε0E+P.\uD=\varepsilon_0\uE+\vec P . Вектор D\uD (Кл/м²) устроен так, что его источниками являются только свободные заряды. В линейном изотропном диэлектрике P=ε0(εr−1)E\vec P=\varepsilon_0(\varepsilon_r-1)\uE и D=εrε0E=εE\uD=\varepsilon_r\varepsilon_0\uE=\varepsilon\uE.

Линии E\uE начинаются и заканчиваются на любых зарядах, включая связанные на поверхности диэлектрика; поэтому при входе в диэлектрик часть линий E\uE «обрывается», и поле внутри ослабевает. Линии D\uD проходят через диэлектрик не прерываясь — их число определяется только зарядом электродов. Это и есть причина, по которой ёмкость в следующем уроке вычисляется через поток D\uD.

Проводники в равновесии

В проводнике есть свободные носители заряда. Если бы внутри существовало поле, они двигались бы, и состояние не было бы статическим. Поэтому

Свойства проводника в электростатическом поле

  1. Внутри проводника E=0\uE=0, а значит, φ=const\varphi=\mathrm{const}: проводник эквипотенциален, его поверхность — эквипотенциальная поверхность.
  2. Из ∇⋅D=ρ\nabla\cdot \uD=\rho при D=0\uD=0 следует ρ=0\rho=0: избыточного заряда внутри нет, весь заряд располагается на поверхности с плотностью σs\sigma_s.
  3. Сразу снаружи поле перпендикулярно поверхности (касательная составляющая отсутствует: EtE_t непрерывна, а внутри равна нулю) и по условию для DnD_n из урока о границах раздела при Dn=0D_n=0 внутри: En=σsε,E_n=\frac{\sigma_s}{\varepsilon}, где ε\varepsilon — проницаемость среды, окружающей проводник.
  4. В полости внутри проводника, не содержащей зарядов, поле отсутствует при любом внешнем поле (электростатическая защита, «клетка Фарадея»).

Свойство 1 оправдывает условие Дирихле на электродах в краевой задаче, свойство 3 даёт способ вычислить заряд по рассчитанному полю: Q=∮σs dS=∮εEn dSQ=\oint\sigma_s\,\dS=\oint\varepsilon E_n\,\dS. Заряд распределяется по поверхности неравномерно: он скапливается на выступах и кромках, где кривизна велика, и именно там поле максимально. Отсюда инженерное правило — скруглять края электродов.

Диэлектрики

Идеальный диэлектрик свободных зарядов не имеет (ρ=0\rho=0, σ=0\sigma=0); его роль — ослаблять поле за счёт поляризации и выдерживать его без пробоя. При заполнении всего пространства между электродами однородным диэлектриком при заданных зарядах поле ослабевает в εr\varepsilon_r раз (линии D\uD те же, E=D/ε\uE=\uD/\varepsilon), а при заданном напряжении E\uE не меняется, зато D\uD и заряд возрастают в εr\varepsilon_r раз. В составных изоляциях поле перераспределяется по закону преломления: EnE_n больше в слое с меньшей ε\varepsilon, что приводит к перегрузке воздушных включений (воздух: εr=1\varepsilon_r=1, прочность ≈3\approx3 МВ/м; масло: εr≈2,2\varepsilon_r\approx2{,}2, прочность в несколько раз выше; полиэтилен: εr=2,3\varepsilon_r=2{,}3, прочность в десятки МВ/м). Разобранный пример двухслойного диэлектрика — в уроке о ёмкости.

Уравнения Пуассона и Лапласа

Подставим D=εE=−ε∇φ\uD=\varepsilon\uE=-\varepsilon\nabla \varphi в теорему Гаусса:

Уравнения Пуассона и Лапласа

∇⋅(ε∇φ)=−ρ.\nabla\cdot (\varepsilon\nabla \varphi)=-\rho . В однородной среде (ε=const\varepsilon=\mathrm{const}) Δφ=−ρε(уравнение Пуассона),Δφ=0 при ρ=0(уравнение Лапласа).\Delta\varphi=-\frac{\rho}{\varepsilon}\quad\text{(уравнение Пуассона)}, \qquad \Delta\varphi=0\ \text{при}\ \rho=0\quad\text{(уравнение Лапласа)}. Вместе с граничными условиями из урока о краевых задачах они образуют корректную краевую задачу с единственным решением.

Лапласиан в точке равен (с множителем) отклонению значения функции от её среднего по малой окрестности. Поэтому в области без зарядов потенциал не имеет локальных экстремумов: максимумы и минимумы достигаются только на границе (на электродах). Положительный объёмный заряд делает Δφ<0\Delta\varphi<0 — потенциал «выпучивается» вверх, как мембрана под давлением; отрицательный — вниз. Для одномерных задач нам понадобятся три формы лапласиана функции одной переменной: Δφ=d2φdx2 (плоская),Δφ=1rddr ⁣(rdφdr) (цилиндрическая),Δφ=1r2ddr ⁣(r2dφdr) (сферическая).\Delta\varphi=\frac{\dd^2\varphi}{\dd x^2}\ \text{(плоская)},\qquad \Delta\varphi=\frac1r\frac{\dd}{\dd r}\!\left(r\frac{\dd\varphi}{\dd r}\right)\ \text{(цилиндрическая)},\qquad \Delta\varphi=\frac1{r^2}\frac{\dd}{\dd r}\!\left(r^2\frac{\dd\varphi}{\dd r}\right)\ \text{(сферическая)}.

Одномерные решения

Плоский слой с объёмным зарядом

Между двумя параллельными электродами x=0x=0 (φ=0\varphi=0) и x=dx=d (φ=U\varphi=U) находится среда с проницаемостью ε\varepsilon и однородным объёмным зарядом ρ\rho (например, ионизованный газ в электрофильтре). Уравнение φ′′=−ρ/ε\varphi''=-\rho/\varepsilon интегрируется дважды: φ(x)=−ρx22ε+C1x+C2.\varphi(x)=-\frac{\rho x^2}{2\varepsilon}+C_1x+C_2 . Из φ(0)=0\varphi(0)=0: C2=0C_2=0; из φ(d)=U\varphi(d)=U: C1=U/d+ρd/(2ε)C_1=U/d+\rho d/(2\varepsilon). Тогда φ(x)=Udx+ρ2εx(d−x),Ex=−dφdx=−Ud−ρ2ε(d−2x).\varphi(x)=\frac{U}{d}x+\frac{\rho}{2\varepsilon}x(d-x), \qquad E_x=-\frac{\dd\varphi}{\dd x}=-\frac{U}{d}-\frac{\rho}{2\varepsilon}(d-2x). Первое слагаемое — однородное поле конденсатора без заряда, второе — поправка, антисимметричная относительно середины слоя: объёмный заряд усиливает поле у одного электрода и ослабляет у другого. Подстановка в φ′′\varphi'' возвращает −ρ/ε-\rho/\varepsilon — проверка.

Коаксиальные цилиндры

Внутренний электрод радиуса aa под потенциалом UU, внешний радиуса bb заземлён, между ними диэлектрик ε\varepsilon без зарядов. Уравнение Лапласа 1rddr(rdφdr)=0\dfrac1r\dfrac{\dd}{\dd r}\left(r\dfrac{\dd\varphi}{\dd r}\right)=0 даёт rφ′=C1r\varphi'=C_1, φ=C1ln⁡r+C2\varphi=C_1\ln r+C_2. Условия φ(a)=U\varphi(a)=U, φ(b)=0\varphi(b)=0: φ(r)=U ln⁡(b/r)ln⁡(b/a),Er=−dφdr=Urln⁡(b/a).\varphi(r)=U\,\frac{\ln(b/r)}{\ln(b/a)}, \qquad E_r=-\frac{\dd\varphi}{\dd r}=\frac{U}{r\ln(b/a)} . Поле убывает как 1/r1/r и максимально на внутреннем электроде: Emax⁡=E(a)E_{\max}=E(a). При фиксированном bb и UU минимум E(a)E(a) достигается, когда d[aln⁡(b/a)]/da=ln⁡(b/a)−1=0\dd[a\ln(b/a)]/\dd a=\ln(b/a)-1=0, то есть при b/a=e≈2,72b/a=e\approx2{,}72 — классическое правило выбора радиуса жилы высоковольтного кабеля.

Концентрические сферы

Для сферического слоя a≤r≤ba\le r\le b уравнение 1r2ddr(r2dφdr)=0\dfrac{1}{r^2}\dfrac{\dd}{\dd r}\left(r^2\dfrac{\dd\varphi}{\dd r}\right)=0 даёт φ=C1/r+C2\varphi=C_1/r+C_2 и при φ(a)=U\varphi(a)=U, φ(b)=0\varphi(b)=0 φ(r)=U 1/r−1/b1/a−1/b,Er=Ur2 (1/a−1/b).\varphi(r)=U\,\frac{1/r-1/b}{1/a-1/b}, \qquad E_r=\frac{U}{r^2\,(1/a-1/b)} . При b→∞b\to\infty получаем уединённый шар: φ=Ua/r\varphi=Ua/r, Er=Ua/r2E_r=Ua/r^2 — поле точечного заряда Q=4πεaUQ=4\pi\varepsilon aU, сосредоточенного в центре. Напряжённость на поверхности шара E(a)=U/aE(a)=U/a: при заданном напряжении малый шар имеет сильное поле — поэтому высоковольтные выводы снабжают экранами большого радиуса.

Энергия электрического поля

Создание поля требует работы: заряды приходится переносить против сил отталкивания. Подсчёт этой работы [Тамм] приводит к выражению, в котором энергия приписана не зарядам, а полю:

Плотность энергии электрического поля

wэ=12 E⋅D=12εE2=D22ε(Дж/м3),Wэ=∫Vwэ dV.w_{\mathrm э}=\frac12\,\uE\cdot\uD=\frac12\varepsilon E^2=\frac{D^2}{2\varepsilon} \quad\text{(Дж/м}^3\text{)}, \qquad W_{\mathrm э}=\int_V w_{\mathrm э}\,\dV . Выражение через E⋅D\uE\cdot\uD справедливо для линейной среды; в нелинейной энергия равна ∫E⋅dD\int\uE\cdot\dd\uD.

Энергия сосредоточена там, где поле сильное: в тонких зазорах, у острых кромок, в слое с малой ε\varepsilon. В следующем уроке через WэW_{\mathrm э} будут выражены ёмкость и силы.

Поле у поверхности заряженного проводника

На поверхности электрода в воздухе измерена плотность заряда σs=10\sigma_s=10 мкКл/м². Напряжённость сразу у поверхности En=σsε0=10−58,854⋅10−12≈1,13⋅106 В/м=1,13 МВ/м.E_n=\frac{\sigma_s}{\varepsilon_0}=\frac{10^{-5}}{8{,}854\cdot10^{-12}}\approx1{,}13\cdot10^6\ \text{В/м}=1{,}13\ \text{МВ/м}. Это треть электрической прочности воздуха (≈3\approx3 МВ/м). Плотность энергии у поверхности w=12ε0E2=12⋅8,854⋅10−12⋅(1,13⋅106)2≈5,7w=\tfrac12\varepsilon_0E^2=\tfrac12\cdot8{,}854\cdot10^{-12}\cdot(1{,}13\cdot10^6)^2\approx5{,}7 Дж/м³. Для сравнения, при предельных 33 МВ/м w≈40w\approx40 Дж/м³, тогда как магнитное поле 11 Тл запасает B2/(2μ0)≈4⋅105B^2/(2\mu_0)\approx4\cdot10^5 Дж/м³ — на четыре порядка больше. Поэтому силовые электромеханические устройства строят на магнитном, а не на электрическом поле.

Плоский слой с объёмным зарядом: числа

d=1d=1 см, U=1U=1 кВ, воздух, ρ=100\rho=100 мкКл/м³. Поле без заряда: U/d=105U/d=10^5 В/м =100=100 кВ/м. Поправка на краях: ρd/(2ε0)=10−4⋅0,01/(2⋅8,854⋅10−12)≈5,65⋅104\rho d/(2\varepsilon_0)=10^{-4}\cdot0{,}01/(2\cdot8{,}854\cdot10^{-12})\approx5{,}65\cdot10^4 В/м =56,5=56{,}5 кВ/м. По формуле Ex=−U/d−ρ(d−2x)/(2ε0)E_x=-U/d-\rho(d-2x)/(2\varepsilon_0): Ex(0)=−100−56,5=−156,5 кВ/м,Ex(d)=−100+56,5=−43,5 кВ/м.E_x(0)=-100-56{,}5=-156{,}5\ \text{кВ/м},\qquad E_x(d)=-100+56{,}5=-43{,}5\ \text{кВ/м}. Поле направлено против оси xx (от электрода с φ=U\varphi=U к заземлённому) и у заземлённого электрода в полтора раза сильнее, чем в его отсутствие: положительный объёмный заряд «добавляет» свои линии к линиям, уходящим на нижний электрод. При ρ=177\rho=177 мкКл/м³ поле у верхнего электрода обратилось бы в нуль, а при ещё большем заряде потенциал имел бы максимум внутри слоя.

Коаксиальный кабель

Жила a=0,45a=0{,}45 мм, оболочка b=1,475b=1{,}475 мм, U=1U=1 кВ. ln⁡(b/a)=ln⁡3,278≈1,187\ln(b/a)=\ln3{,}278\approx1{,}187. E(a)=10000,45⋅10−3⋅1,187≈1,87⋅106 В/м=1,87 кВ/мм,E(b)=E(a)ab≈0,57 кВ/мм.E(a)=\frac{1000}{0{,}45\cdot10^{-3}\cdot1{,}187}\approx1{,}87\cdot10^6\ \text{В/м}=1{,}87\ \text{кВ/мм}, \qquad E(b)=E(a)\frac ab\approx0{,}57\ \text{кВ/мм}. Отношение b/a=3,28b/a=3{,}28 больше оптимального e=2,72e=2{,}72: при том же bb и жиле a=b/e=0,54a=b/e=0{,}54 мм напряжённость на жиле была бы E=Ue/b≈1,84E=Ue/b\approx1{,}84 кВ/мм — выигрыш невелик, так как минимум пологий. Потенциал на середине зазора r=0,96r=0{,}96 мм: φ=1000ln⁡(1,475/0,96)/1,187≈362\varphi=1000\ln(1{,}475/0{,}96)/1{,}187\approx362 В — заметно меньше половины напряжения, так как поле сосредоточено у жилы.

Распространённые заблуждения

  • «Нулевой потенциал — значит, поля нет». Потенциал определён с точностью до константы, и его нуль — наш выбор. На плоскости симметрии между электродами +U/2+U/2 и −U/2-U/2 потенциал равен нулю, а поле максимально. Поле определяется градиентом потенциала, а не его значением.
  • «Поля нет — значит, потенциал нулевой». Внутри заряженного проводника E=0\uE=0, а φ\varphi равен потенциалу проводника и может составлять сотни киловольт.
  • «Поток E\uE через замкнутую поверхность равен заряду внутри / ε0\varepsilon_0». Это верно только с учётом связанных зарядов. Для свободного заряда теорема Гаусса формулируется через D\uD.
  • «En=σs/ε0E_n=\sigma_s/\varepsilon_0» у поверхности проводника в масле или полиэтилене. В знаменателе стоит проницаемость окружающей среды ε=εrε0\varepsilon=\varepsilon_r\varepsilon_0: при том же заряде поле в диэлектрике слабее в εr\varepsilon_r раз.
  • «Поле убывает как 1/r21/r^2» для цилиндрической геометрии. Закон 1/r21/r^2 — сферический; у коаксиала E∝1/rE\propto1/r, у плоского конденсатора поле однородно. Геометрия диктует закон убывания.
  • Решение уравнения Лапласа ищут с внутренним максимумом. В области без зарядов экстремумы потенциала лежат только на границе; максимум внутри — признак ошибки или наличия объёмного заряда.

Вопросы и упражнения

  1. Покажите прямой подстановкой, что φ=Uln⁡(b/r)/ln⁡(b/a)\varphi=U\ln(b/r)/\ln(b/a) удовлетворяет уравнению Лапласа в цилиндрических координатах, а φ=Ua/r\varphi=Ua/r — в сферических. Почему φ=ln⁡r\varphi=\ln r не удовлетворяет сферическому лапласиану?
  2. Между электродами плоского слоя (d=5d=5 мм, U=2U=2 кВ) распределён отрицательный заряд ρ=−200\rho=-200 мкКл/м³. Найдите Ex(0)E_x(0), Ex(d)E_x(d) и положение точки, где потенциал имеет экстремум, если она существует.
  3. Уединённый шар радиуса a=10a=10 см в воздухе. При каком потенциале UU напряжённость на его поверхности достигнет 33 МВ/м? Какой заряд он при этом несёт? Как изменится ответ для шара радиуса 11 см?
  4. Внутри проводящей сферической оболочки (внутренний радиус bb) находится точечный заряд qq не в центре. Что можно сказать о поле снаружи оболочки, если она не заряжена? Воспользуйтесь теоремой Гаусса и свойствами проводника.
  5. Диэлектрик с εr=4\varepsilon_r=4 полностью заполняет коаксиальный кабель. Как изменятся φ(r)\varphi(r), E(r)E(r), D(r)D(r) и заряд жилы по сравнению с воздушным заполнением при том же UU? А при том же заряде?
  6. Пользуясь выражением для wэw_{\mathrm э}, вычислите энергию поля на единицу длины коаксиального кабеля из примера (εr=2,3\varepsilon_r=2{,}3, U=1U=1 кВ), проинтегрировав 12εE2\tfrac12\varepsilon E^2 по кольцевому сечению. Сравните результат с 12C′U2\tfrac12C'U^2 в следующем уроке.

Ответы к пунктам 2 и 3

2. U/d=4⋅105U/d=4\cdot10^5 В/м; ρd/(2ε0)=−2⋅10−4⋅5⋅10−3/(1,771⋅10−11)≈−5,65⋅104\rho d/(2\varepsilon_0)=-2\cdot10^{-4}\cdot5\cdot10^{-3}/(1{,}771\cdot10^{-11})\approx-5{,}65\cdot10^4 В/м. Ex(0)=−4⋅105+5,65⋅104≈−343E_x(0)=-4\cdot10^5+5{,}65\cdot10^4\approx-343 кВ/м; Ex(d)=−4⋅105−5,65⋅104≈−456E_x(d)=-4\cdot10^5-5{,}65\cdot10^4\approx-456 кВ/м. Отрицательный заряд усиливает поле у электрода с высоким потенциалом. Экстремум потенциала (Ex=0E_x=0) требовал бы ∣ρ∣d/(2ε0)>U/d|\rho|d/(2\varepsilon_0)>U/d, чего нет: ExE_x не меняет знак, экстремума внутри слоя нет.

3. E(a)=U/aE(a)=U/a, откуда U=3⋅106⋅0,1=300U=3\cdot10^6\cdot0{,}1=300 кВ; Q=4πε0aU=4π⋅8,854⋅10−12⋅0,1⋅3⋅105≈3,3Q=4\pi\varepsilon_0aU=4\pi\cdot8{,}854\cdot10^{-12}\cdot0{,}1\cdot3\cdot10^5\approx3{,}3 мкКл. Для a=1a=1 см: U=30U=30 кВ, Q≈33Q\approx33 нКл — малый электрод пробивает воздух при в десять раз меньшем напряжении.

Итоги

  • Условие ∇×E=0\nabla\times \uE=0 позволяет ввести потенциал: E=−∇φ\uE=-\nabla \varphi, UAB=∫ABE⋅dlU_{AB}=\int_A^B\uE\cdot\dl; φ\varphi определён с точностью до константы.
  • Смещение D=ε0E+P\uD=\varepsilon_0\uE+\vec P имеет источниками только свободные заряды: ∇⋅D=ρ\nabla\cdot \uD=\rho; связанные заряды ρсв=−∇⋅P\rho_{\mathrm{св}}=-\nabla\cdot \vec P входят в источники E\uE, но не D\uD.
  • В проводнике при равновесии E=0\uE=0, φ=const\varphi=\mathrm{const}, заряд лежит на поверхности, а снаружи En=σs/εE_n=\sigma_s/\varepsilon.
  • Потенциал удовлетворяет уравнению Пуассона ∇⋅(ε∇φ)=−ρ\nabla\cdot (\varepsilon\nabla \varphi)=-\rho (Лапласа при ρ=0\rho=0); его одномерные решения — квадратичное для плоского слоя с зарядом, ln⁡(b/r)\ln(b/r) для коаксиала, 1/r1/r для сферы — эталоны для проверки численных расчётов.
  • Плотность энергии wэ=12E⋅Dw_{\mathrm э}=\tfrac12\uE\cdot\uD сосредоточена там, где поле сильно.

Далее — ёмкость, энергия и силы: как от распределённого поля перейти к интегральным параметрам QQ, UU, CC, WW и к силам на электродах.

Уточнения постановки и расчётной методики FEMM 5

Физический и методический смысл

Электростатическое поле удовлетворяет E=-\nabla V и \nabla\cdot D=\rho. Для линейного диэлектрика D=\varepsilon E, поэтому -\nabla\cdot (\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 = \nabla\times 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 8.3.

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, \nabla\times 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 \nabla\times 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 -\nabla 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 \nabla\times \nabla V=0 обеспечивает именно статическое условие Фарадея \nabla\times E=0.

Уравнение Пуассона электростатики

-\varepsilon\nabla^2 V=\rho
(М.1.20)
Объединение закона Гаусса с E=-\nabla 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 \nabla\times E = -\nabla\times \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 = -\nabla 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 -\nabla\cdot (k \nabla 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 \nabla\cdot 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: руководство FEMM 5 целиком [32]. § 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.

Литература

Полные библиографические описания

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.