电磁场Ansoft软件应用作业

Ansoft软件应用作业——静电场中同轴电缆的仿真研究题目：单心电缆有两层绝缘体，分界面为同轴圆柱面。已知R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε1＝5ε0,ε2＝3ε0,,内导体U=100V，外导体为0V求：1用解析法计算电位，电场强度，电位移随半径的变化，计算单位长度电容和电场能量。2用ansfot软件计算上述物理量随半径的变化曲线，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量一、用解析法计算电位，电场强度，电位移随半径的变化以及单位长度电容和电场能量解：设同轴电缆内、外层导体分别带电+、-。由高斯定理：在介质中SdSDL所以D=223212121ln2ln23221dEdEU所以232121ln1ln12U代入E1，E2)ln(ln2321121UE)lnln(2312122UE(2)Dll11122222DEDE代入具体数值，得到E1=05.73，E2=75.121由=3EdL可得电位1=268.1-73ln，2=414.1-121.8ln电场能量：W=DEdvV21=1.0155×10-6J/mD=2=)ln1ln1(232121U=-910×3.23(单位为m)C=U232121ln1ln12203.1pF二、同轴电缆模型的建立绘制过程：1.分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆过程：利用DRAWCIRCLE通过确定两点来画圆。最后得到一组同心圆这组同心圆有重叠部分，因此选中大圆时可以看到内部的圆的颜色会加深。且大圆选中越多，内部颜色越深。填充颜色后2.利用布尔运算进行相减（subtract）得到介质层、外导体壳及内导体。从外层至内层选择相邻的两个圆（可以按住ctrl后用鼠标点击两个待选定的圆）。利用布尔运算里的切除（subtract）选项得到圆环。依次重复上述步骤，得到外层导体壳、内部的两层介质以及内部导体。效果如下：3.进行材料填充。内外导体利用已有材料进行填充。中间两层介质利用“添加材料（ADD）”功能自行设定材料属性，如下图。内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead中间的介质采用自定义材料，需要对相对介电常数进行设定。4.设定激励源。外导体、内导体分别指定100V、0V的电压作为激励。三、电位，电场强度，电位移分布同轴电缆模型建立完后，需要进行如下操作：1.进行求解器的设置2.对绘制的物体全选（Ctrl+A）后,进行分析。3.对物体进行全部选择（Ctrl+A）后，就可以观察场的分布情况：4.场量的大小随着半径变化曲线的绘制绘制变化曲线需要引入一条辅助线如上图，利用DRAWLINE功能绘制一条半径作为辅助线。上图中白色的线段就是辅助线。最后利用生成报告的方式得到变化曲线。如下图。在这个对话框下，“几何”选项可以选择场量沿着哪一条线变化，即选择辅助线。“数量”选项选择需要研究那种量随着特定路线的变化情况。点击NewReport就可以生成所需要的曲线。电位，电场强度，电位移分布：1.电场强度分布（标量）：电场强度随半径的变化曲线：解析法得到场强计算公式：E1=05.73，E2=75.121公式与ansoft仿真得到的曲线符合。2.电位移分布（标量）：电位移随半径的变化曲线：解析法得到D=-910×3.23(单位为m)与上图曲线符合3.电位分布：电位随半径的变化曲线：解析法计算结果：1=268.1-73ln，2=414.1-121.8ln经检验，计算结果符合ansoft得到的曲线。四、电场能量的计算利用场计算器计算：具体过程：打开场计算器（FieldsCalculator）——点击数量（Quantity）——选择Energy——点击几何（Geometry）——选择体积（Volume）——选择AllObjectsPlusground——点击积分符号——点击Eval计算得电场能量为1.016×10-6J/m解析法得到的电场能量：W=DEdvV21=1.0155×10-6J/m二者近似相等。