محافظ الکتریکی
معرفی
این یک برنامه آموزشی است که نحوه مدلسازی اجسام بسیار رسانا جدا شده را در رابط جریانهای الکتریکی نشان میدهد. تجزیه و تحلیل شامل ترمینال فعلی و شرایط مرزی محافظ الکتریکی است.
تعریف مدل
حوزه مدلسازی یک جعبه پر از آب دریا است که حاوی یک الکترود است. کناره های جعبه عایق بندی شده اند در حالی که قسمت بالایی دارای پتانسیل الکتریکی 1 ولتی است و قسمت پایینی روی زمین تنظیم شده است.
شرایط مرزی در الکترود
نسخه اول برنامه از شرایط مرزی ترمینال با جریان خالص صفر استفاده می کند. سپس الکترود یک پتانسیل ثابت تعیین شده توسط میدان اطراف را در نظر می گیرد. این شرایط که به عنوان شرایط پتانسیل شناور نیز شناخته می شود، می تواند تقریب خوبی باشد اگر الکترود رسانای بسیار بهتری نسبت به محیط اطراف باشد. همچنین می توان از آن برای سطوح فلزی در الکترواستاتیک استفاده کرد، جایی که شرایط جریان صفر با شارژ کل صفر جایگزین می شود.
نسخه دوم از شرایط محافظ الکتریکی به جای شرط مرزی پایانه استفاده می کند. شرایط محافظ الکتریکی مستلزم مشخص شدن ماده تشکیل دهنده لایه نازک و ضخامت آن است. هنگامی که برای توصیف ورقه های نازک مواد رسانا استفاده می شود، شرایط محافظ الکتریکی منجر به پتانسیلی می شود که فرض می شود در سراسر عمق ماده ثابت است، اما در سطح آن متفاوت است.
نتایج و بحث
شکل 1 توزیع پتانسیل را هنگام استفاده از شرایط محافظ الکتریکی نشان می دهد. الکترود به عنوان یک ورق تیتانیوم به ضخامت 1 میلی متر مدل شده است تا سه چهارم سیلندر را تشکیل دهد. شعاع این استوانه 0.2 متر است و در مرکز یک مکعب با ضلع 1 متر قرار دارد. نتیجه، همانطور که در نمودار سطح مشاهده می شود، پتانسیلی است که بین 0.472 ولت و 0.476 ولت روی هادی متغیر است.
شکل 1: توزیع پتانسیل الکتریکی روی هادی و در آب هنگام استفاده از شرایط محافظ الکتریکی.
برای مقایسه، با شرایط ترمینال جریان صفر، پتانسیل روی هادی به 0.474 ولت ثابت ارزیابی می شود.
مسیر کتابخانه برنامه: ACDC_Module/Introductory_Electric_Currents/electric_shielding
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی Model Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
|
در پنجره Model Wizard ، روی 3D کلیک کنید .
|
2
|
در درخت Select Physics ، AC/DC>Electric Fields و Currents>Electric Currents (ec) را انتخاب کنید .
|
3
|
روی افزودن کلیک کنید .
|
4
|
روی مطالعه کلیک کنید .
|
5
|
در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید .
|
6
|
روی Done کلیک کنید .
|
هندسه 1
هندسه مدل را با الکترود شروع کنید.
سیلندر 1 (cyl1)
1
|
در نوار ابزار Geometry ، روی Cylinder کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات سیلندر ، قسمت Object Type را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست Type ، Surface را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Size and Shape را پیدا کنید . در قسمت متن Radius ، 0.2 را تایپ کنید .
|
5
|
در قسمت متن ارتفاع ، 0.2 را تایپ کنید .
|
6
|
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 0.4 را تایپ کنید .
|
7
|
در قسمت متن y ، 0.5 را تایپ کنید .
|
8
|
در قسمت متن z ، 0.5 را تایپ کنید .
|
9
|
قسمت Axis را پیدا کنید . از لیست نوع محور ، دکارتی را انتخاب کنید .
|
10
|
در قسمت متن x ، 1 را تایپ کنید .
|
11
|
در قسمت متن z ، 0 را تایپ کنید .
|
12
|
روی Build Selected کلیک کنید .
|
سپس قسمتی از استوانه را که در اکتانت y ≤ 0 , z ≥ 0 قرار دارد حذف کنید .
حذف نهادهای 1 (del1)
1
|
در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Delete Entities را انتخاب کنید .
|
2
|
مرز نشان داده شده در شکل زیر را با کلیک بر روی آن انتخاب کنید.
|
3
|
در پنجره تنظیمات برای حذف نهادها ، روی ساخت انتخاب شده کلیک کنید .
|
به منظور تسهیل اعمال مواد و شرایط مرزی، انتخابی از شی الکترود ایجاد کنید.
الکترود
1
|
در نوار ابزار Geometry ، روی Selections کلیک کنید و Explicit Selection را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای انتخاب صریح ، بخش Entities to Select را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید .
|
4
|
در پنجره Graphics ، روی سه مرز تشکیل دهنده الکترود کلیک کنید.
|
5
|
در قسمت Label text، Electrode را تایپ کنید .
|
هندسه را با اضافه کردن یک بلوک برای حوزه آب نمک اطراف الکترود به پایان برسانید.
بلوک 1 (blk1)
1
|
در نوار ابزار Geometry ، روی Block کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Block ، روی Build All Objects کلیک کنید .
|
3
|
روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
|
4
|
روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
|
مواد
پس از ایجاد هندسه، به اختصاص مواد ادامه دهید.
مواد را اضافه کنید
1
|
در نوار ابزار Home ، روی Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود .
|
2
|
به پنجره Add Material بروید .
|
3
|
در درخت، Built-in>Titanium beta-21S را انتخاب کنید .
|
4
|
روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
|
5
|
در نوار ابزار Home ، روی Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود .
|
مواد
تیتانیوم بتا-21S (mat1)
1
|
در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید .
|
2
|
از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، الکترود را انتخاب کنید .
|
آب دریا
1
|
در پنجره Model Builder ، روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای مواد ، دریای آب را در قسمت متن برچسب تایپ کنید .
|
3
|
فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
|
4
|
قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
|
ویژگی
|
متغیر
|
ارزش
|
واحد
|
گروه اموال
|
رسانایی الکتریکی
|
sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0
|
5
|
S/m
|
پایه ای
|
گذر نسبی
|
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
|
85
|
1
|
پایه ای
|
جریان های الکتریکی (EC)
زمین 1
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electric Currents (ec) کلیک راست کرده و Ground را انتخاب کنید .
|
2
|
فقط مرز 3 را انتخاب کنید.
|
پتانسیل الکتریکی 1
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Electric Potential را انتخاب کنید .
|
2
|
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
|
3
|
در پنجره تنظیمات Electric Potential ، قسمت Electric Potential را پیدا کنید .
|
4
|
در قسمت متنی V 0 ، 1 را تایپ کنید .
|
ترمینال 1
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Terminal را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای ترمینال ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، الکترود را انتخاب کنید .
|
سپس، یک گره محافظ الکتریکی را برای استفاده در مطالعه دوم روی الکترود اعمال کنید. برای جلوگیری از نادیده گرفتن گره پایانی که به تازگی اضافه شده است، در مطالعه اول حذف خواهد شد.
محافظ الکتریکی 1
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Electric Shielding را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای محافظ الکتریکی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، الکترود را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Thickness را پیدا کنید . در قسمت متن d 1[mm] را تایپ کنید .
|
مش 1
چهار وجهی رایگان 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Free Tetrahedral کلیک کنید .
اندازه
1
|
در پنجره Model Builder ، روی Size کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست Predefined ، Fine را انتخاب کنید .
|
4
|
روی ساخت همه کلیک کنید .
|
مطالعه 1
قبل از حل، گره Electric Shielding را غیرفعال کنید .
مرحله 1: ثابت
1
|
در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Stationary کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید .
|
3
|
تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید .
|
4
|
در درخت، Component 1 (comp1)>Electric Currents (ec)>Electric Shielding 1 را انتخاب کنید .
|
5
|
روی Disable کلیک کنید .
|
6
|
در درخت، جزء 1 (comp1) را انتخاب کنید .
|
7
|
در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید .
|
8
|
در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
|
9
|
تیک Generate defaults defaults را پاک کنید .
|
اگر می خواهید کنترل کاملی بر روی گروه های نمودار ایجاد کنید، این تنظیم مفید است.
10
|
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
|
نتایج
قبل از افزودن یک گروه پلات سه بعدی برای استفاده برای بازتولید نمودار در شکل 1 ، انتخابی را به مجموعه داده راه حل اضافه کنید تا بلوک مانع دید الکترود شود.
1
|
در پنجره Model Builder ، گره Results را گسترش دهید .
|
مطالعه 1/راه حل 1 (sol1)
در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Study 1/Solution 1 (sol1) کلیک کنید .
انتخاب
1
|
در نوار ابزار نتایج ، روی ویژگی ها کلیک کنید و Selection را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید .
|
4
|
از لیست انتخاب ، الکترود را انتخاب کنید .
|
حالا طرح را ایجاد کنید.
گروه طرح سه بعدی 1
1
|
در نوار ابزار نتایج ، روی 3D Plot Group کلیک کنید .
|
برخی تنظیمات را در افسانه های رنگی تغییر دهید تا تغییرات کوچک پتانسیل الکتریکی روی سطح را بهتر تجسم کنید.
2
|
در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Color Legend را پیدا کنید .
|
3
|
چک باکس نمایش مقادیر حداکثر و حداقل را انتخاب کنید .
|
4
|
برای گسترش بخش Number Format کلیک کنید . تیک گزینه Manual color legend settings را انتخاب کنید .
|
5
|
در قسمت Precision text، 4 را تایپ کنید .
|
برش 1
1
|
روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Slice را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Slice ، بخش Plane Data را پیدا کنید .
|
3
|
در قسمت متن Planes ، 1 را تایپ کنید .
|
سطح 1
1
|
در پنجره Model Builder ، روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Coloring and Style را پیدا کنید .
|
3
|
روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید .
|
4
|
در کادر محاوره ای Color Table ، Linear>GrayScale را در درخت انتخاب کنید.
|
5
|
روی OK کلیک کنید .
|
توجه داشته باشید که پتانسیل روی سطح ثابت است.
گروه طرح سه بعدی 1
1
|
در پنجره Model Builder ، روی 3D Plot Group 1 کلیک کنید .
|
2
|
در نوار ابزار 3D Plot Group 1 ، روی Plot کلیک کنید .
|
این کار بر روی نسخه ترمینال این برنامه به پایان می رسد. بعد، بررسی کنید که چگونه نتایج با معرفی یک رسانایی و ضخامت محدود به صفحه تغییر می کند. یک مطالعه جداگانه برای این تحلیل اضافه کنید.
اضافه کردن مطالعه
1
|
در نوار ابزار Home ، روی Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود .
|
2
|
به پنجره Add Study بروید .
|
3
|
زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید .
|
4
|
روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
|
5
|
در نوار ابزار Home ، روی Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود .
|
مطالعه 2
مرحله 1: ثابت
گره ترمینال را برای این مطالعه غیرفعال کنید ، حتی اگر این کار کاملاً ضروری نیست زیرا این گره توسط گره محافظ الکتریکی لغو می شود .
1
|
در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید .
|
2
|
تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید .
|
3
|
در درخت، Component 1 (comp1)>Electric Currents (ec)>Terminal 1 را انتخاب کنید .
|
4
|
روی Disable کلیک کنید .
|
5
|
در درخت، جزء 1 (comp1) را انتخاب کنید .
|
6
|
در پنجره Model Builder ، روی Study 2 کلیک کنید .
|
7
|
در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
|
8
|
تیک Generate defaults defaults را پاک کنید .
|
9
|
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
|
نتایج
یک انتخاب اضافه کنید، این مجموعه داده محلول را نیز به الکترود محدود کنید.
مطالعه 2/راه حل 2 (sol2)
در پنجره Model Builder ، در بخش Results>Datasets روی Study 2/Solution 2 (sol2) کلیک کنید .
انتخاب
1
|
در نوار ابزار نتایج ، روی ویژگی ها کلیک کنید و Selection را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید .
|
4
|
از لیست انتخاب ، الکترود را انتخاب کنید .
|
می توانید از گروه نموداری که قبلا ایجاد کرده اید به عنوان نقطه شروع برای رسم راه حل جدید استفاده کنید.
گروه طرح سه بعدی 2
1
|
در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست مجموعه داده ، مطالعه 2/راه حل 2 (sol2) را انتخاب کنید .
|
4
|
در نوار ابزار 3D Plot Group 2 ، روی Plot کلیک کنید .
|
اکنون پتانسیل الکتریکی روی صفحه باید از 0.472 ولت تا 0.476 ولت باشد.