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1、实验要求：综合训练项目一：平板电容器电场仿真计算 2D 仿真 目的和要求：加强对静电场场强、电容、电场能量的理解，应用静电场的边界条件建立模拟的静态电场，解决电容等计算问题；提升学生抽象思维能力、提高利用数学工具解决实际问题的能力。成果形式：仿真过程分析及结果报告。用 Ansoft Maxwell 软件计算电场强度，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量，并对仿真结果进行分析、总结。将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明。一、平行板电容器描述 上下两极板尺寸：20*2（mm）材料：pec（理想导体）介质尺寸：20*6（mm）材料：mica（云母）激励：电压源 上极板电压：5V 下极板
2、电压：0V 二、仿真步骤 1、建模 Project Insert Maxwell 2D Design FileSave asPlanar Cap（工程命名为“Planar Cap”）选择求解器类型：Maxwell Solution Type Electric Electrostatic（静电的）创建下极板六面体 Draw Rectangle（创建下极板长方形）将六面体重命名为 DownPlate 大小：20*2（mm）Assign Material pec（设置材料为理想导体 perfect conductor）创建上极板六面体 Draw Rectangle（创建上极板六面体）大小：20*2（
3、mm）将六面体重命名为 UpPlate Assign Material pec（设置材料为理想导体 perfect conductor）创建中间的介质六面体 Draw Rectangle（创建中间介质六面体）欢迎下载 2 大小：20*6（mm）将六面体重命名为 medium Assign Material mica（设置材料为云母 mica）创建计算区域（Region）Padding Percentage：60%设置完图片如下图：2、设置激励（Assign Excitation）选中上极板 UpPlate,Maxwell 2D Excitations Assign V oltage 5V 选中
4、下极板 DownPlate,Maxwell 2D Excitations Assign V oltage 0V 3、设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 2D Parameters Assign Matrix Voltage1,Voltage2 电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创
5、建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式 欢迎下载 3 4、设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 2D Analysis Setup Add Solution Setup 电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结
6、果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式 欢迎下载 4 电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成
7、果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式 欢迎下载 5 5、Check&Run 6、查看结果 Maxwell 2D Reselts Solu
8、tion data Matrix 电容值：116.42pF 电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看
9、能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式 欢迎下载 6 7、查看能量分布图 RegionfieldsvoltageAllobjectsDone 电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下
10、图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式 欢迎下载 7 三、结果分析与计算 电容的结果为 116.42pf 平板式电容计算公式：C=r*S/4kd 式中：电容 C，单位 F；相对介电常数；云母介电常数 6.07.2 10（-12方）单位 F/m；面积 S，单位平方米；极板间距 d，单位米。C=8.86*10-12*20*20/(4*3.14*9.0*109*6)=120.732up 与仿真值接近 电场能量图：电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提
11、升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式 欢迎下载 8 电压分布图：场强分布图：电场的
12、边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式
13、 欢迎下载 9 四、心得体会 1、这个实验是用利用 Maxwell 2D 电磁场分析软件对平行板电容器进行分析。通过这次实验，掌握了 Maxwell 2D 这个软件的基本操作知识，但是对一些复杂的操作和软件的部分功能还并未熟悉，需要多加练习。而且这个软件对解决一些较难求解的静磁场有很大帮助，所以又必要进一步学习。2、实验前需要先熟悉这个软件的基本操作知识，这样利用软件解决具体问题的时候会容易很多。这个实验就是这样，如果不看前面的基本操作，直接去做后面的实验，实验很难做出来。而熟悉过基本操作知识之后，实验很简单。3、利用这个软件解决静磁场的问题不仅简单，而且可以直接观察出场的分布图形，很直观，便
14、于理解。电场的边界条件建立模拟的静态电场解决电容等计算问题提升学生抽象思维能力提高利用数学工具解决实际问题的能力成果形式仿真过程分析及结果报告用软件计算电场强度并画出电压分布图计算出单位长度电容和电场能量并对仿介质尺寸材料云母激励电压上极板电压下极板电压二仿真步骤建模工程命名为选择求解器类型静电的创建下极板六面体创建下极板长方形将六面体重命名为大小设置材料为理想导体创建上极板六面体创建上极板六面体大小将六面体创建计算区域设置完图片如下图设置激励选中上极板选中下极板设置计算参数欢迎下载设置自适应计算参数欢迎下载欢迎下载查看结果电容值欢迎下载查看能量分布图欢迎下载三结果分析与计算电容的结果为平板式电容计算公式式