2.12. Поле электрического диполя. Упражнение на составление вычислительного сценария расчёта такого поля в Comsol Script

На рис. 2.12.1 изображён электрический диполь с электрическим дипольным моментом P_э. Известно, что

P_э = qh.

Рис. 2.12.1. Электрический диполь и точка наблюдения

Если источником электростатического поля является точечный диполь, то

h <<R₁,h <<R₂,

В результате получим

(2.12.1)

Зная распределение скалярного электрического потенциала, можно определить распределение вектора напряженности электрического поля

В выражении (2.12.1) от положения точки QзависятRиR, поэтому для определения градиента выражения (2.12.1) можно применить правила дифференцирования из векторного анализа

Окончательно получим

или в сферической системе координат

.

Можно доказать, что уравнение линий напряженности электрического поля (силовых линий) имеет вид

(2.12.2),

где А– параметр семейства линий; уравнение эквипотенциальных линий

(2.12.3),

где В– параметр семейства линий потенциала.

Чтобы провести через некоторую точку линию напряженности или равнопотенциальную кривую следует подставить в (2.12.2) или (2.12.3) координаты этой точки и вычислить значение параметра АилиВ, соответствующее искомой кривой. Затем, задаваясь различными значениями , находят значениеRискомых точек линии.

Если построить несколько произвольных равнопотенциальных поверхностей и рассечь их различными меридианными плоскостями, то в каждой такой плоскости получится одна и та же картина линий равного потенциала. Такое поле называют плоскомеридианным. В современной литературе такие поля называют «осесимметричными».

Расчёт и визуализация поля электрического диполя в системе comsol Script

Ниже представлен текст вычислительного сценария COMSOL Script, предназначенного для расчёта названного поля.

% el_dipol - Расчёт и визуализация поля электрического диполя

% Электрический дипольный момент направлен вдоль оси y

% Рассчитывается распределение скалярного электрического потенциала

% и компонентов вектора напряжённости электрического поля

P=1; % y-компонента электрического дипольного момента, пКл*м

eps0=8.85419; % Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, пФ/м

[x,y]=meshgrid(0.1:0.01:0.5,0.1:0.01:0.5);

fi=P*y./(4*pi*eps0*(x.^2+y.^2).^1.5);

Ex=3*P*y.*x./(4*pi*eps0*(x.^2+y.^2).^2.5);

Ey=P*(3*y.^2./(x.^2+y.^2)+1)./(x.^2+y.^2).^1.5/(4*pi*eps0);

E=sqrt(Ex.^2+Ey.^2);

figure(1)

contour(x,y,fi,19)

grid on

figure(2)

contour(x,y,Ex,29)

grid on

figure(3)

contour(x,y,Ey,29)

grid on

figure(4)

contour(x,y,E,29)

grid on

Ниже показано содержимое фигур COMSOL Script с изолиниями потенциала и компонентов вектора напряжённости электрического поля (рис. 2.12.2 – 2.12.5).

Рис. 2.12.2. Изолинии скалярного электрического потенциала

Рис. 2.12.3. Изолинии горизонтальной составляющей напряжённости электрического поля

Рис. 2.12.4. Изолинии вертикальной составляющей напряжённости электрического поля

Рис. 2.12.5. Изолинии модуля напряжённости электрического поля

2.13. Поле бесконечно длинной заряженной оси

Пусть имеется бесконечно длинная заряженная ось, имеющая заряд на единицу длины (рис. 2.13.1).

Рис. 2.13.1. Бесконечно длинная заряженная ось и след цилиндрической поверхности, проходящей через точку наблюдения

Охватим эту ось цилиндрической поверхностью, ось которой совпадает с заряженной осью. На этой поверхности вектор электрического смещения имеет только нормальную составляющую D_n, причемD_n=const. В соответствии с теоремой Гаусса в интегральной форме

,

откуда

Во многих практических случаях электрическое поле можно представить в виде линейной комбинации полей нескольких заряженных осей или нескольких пар разноименно заряженных осей. Поэтому целесообразно рассмотреть поле одной такой пары. Но прежде рассмотрим применение записанных формул для полей в бесконечно длинных коаксиальных системах проводников.