Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Computer Simulation.doc
Скачиваний:
19
Добавлен:
20.04.2019
Размер:
2.55 Mб
Скачать

4.2.Расчет магнитостатического поля соленоида

Поле на оси элементарного витка с током рассчитывается по формуле

, (4.0) где B – индукция магнитного поля, Тл; I – ток элементарного витка, А; a – радиус витка и z – расстояние от центра витка вдоль оси, м.

Подставляя в (4.3) значение магнитной постоянной вакуума 0 и выражая линейные размеры в сантиметрах, получим для поля B0 в центре витка при z = 0

. (4.0)

Используя такие же обозначения, как в (4.4), выражение (4.3) можно привести к виду

, (4.0) где Bz – индукция магнитного поля, Гс; a – радиус витка и z – расстояние от центра витка вдоль оси, см.

Выражение (4.5) можно использовать в качестве основы для расчета поля соленоида. Так, например, в центре тонкого однослойного соленоида, длина которого 2b, значение поля получается в результате интегрирования (4.5) по цилиндрической поверхности радиуса a от –b до +b:

(4.0) где N – число витков;  b/a.

Далее, интегрируя по радиусу от a1 до a2 выражение (4.6), получим поле в центре толстого соленоида

, где j – плотность тока, определяемая как отношение суммарного тока через осевое сечение соленоида к площади осевого сечения Sсеч 2b(a2 a1),   a2/a1 и   b/a1.

Последнюю формулу можно упростить, обозначив произведение всех безразмерных сомножителей, зависящих только от формы соленоида, как F( ) и назвав это произведение “коэффициентом поля”:

.

Тогда поле в центре толстого соленоида будет рассчитываться по формуле

.

Рис. 4.2. Представление соленоидов в виде двух соленоидов половинной длины

Это означает, что поле на конце любой катушки равно половине центрального поля катушки удвоенной длины (рис. 4.2). Тогда для расчета поля в произвольной точке z на оси соленоида можно заменить исходный соленоид двумя вспомогательными (изображены сплошными линиями), длины которых зависят от величины смещения точки z вдоль оси и вычисляются по формулам (  z/a1) и ( – z/a1). При этом интересующее нас поле определяется как результат суперпозиции полей на концах этих соленоидов, расположенных по разные стороны от точки A, т. е.

, где

Поле на оси системы соленоидов, разделенных воздушным промежутком G, можно рассчитать по аналогичной методике, используя 4 соленоида (рис. 4.3) и 4 “коэффициента поля”:

Рис. 4.3. Представление двух соленоидов в виде четырех половинок

В этом случае результирующее поле рассчитывается по формуле

.

4.3.Порядок выполнения работы

  1. Составить программу для расчета магнитного поля двух соленоидов и построить с ее помощью график Bz(z, 0) в пределах от –(2b G/2) до (2b G/2). Подготовить данные для тестовой задачи, получив однородность магнитного поля в пределах –(b G/2) до (b G/2) путем изменения расстояния G между соленоидами. Записать значение индукции в центральной точке зазора Bz(0, 0).

  2. Изучить инструкцию по работе с программой “Тесла”.

  3. Заполнить шаблон исходных данных для магнитной системы двух соленоидов, соответствующих тестовой задаче. На границах сеточной области использовать следующие условия: на S границе , на E, N и W границах . Использовать сетку с постоянным шагом.

  4. Решить задачу на двух сетках с количеством узлов 400 и 1600 для различных значений коэффициента верхней релаксации , фиксируя каждый раз количество проведенных итераций Nит. Построить графики для каждой из двух сеток и найти для них opt.

  5. Исследовать погрешность численных расчетов. Для этого просчитать пять вариантов задач с количеством узлов nуз= 100, 400, 900, 1600 и 2500, записывая каждый раз значение индукции в центральной точке зазора Bz(0, 0). Построить график . На графике провести горизонтальную линию, соответствующую значению Bz(0, 0) из решения тестовой задачи.

  6. Исследовать погрешность численных расчетов, связанных с неточностью задания условий на границе сеточной области. Для этого на границах сеточной области E, N и W задать условие . Выбрать сетку с количеством узлов nуз=1600. Получить решение задачи для 5 вариантов расположения границы сеточной области: zгр = (mb G/2), rгр = na2, используя для пары чисел (m, n) значения (3, 1.2), (4, 1.5), (6, 2), (10, 4) и (15, 6) и записывая каждый раз значения индукции в центральной точке зазора Bz(0, 0). Построить график . На графике провести горизонтальную линию, соответствующую значению Bz(0, 0) из решения тестовой задачи.

  7. Задать исходные данные для половины магнитной системы, используя условие симметрии на границе E. Задать количество узлов сетки nуз= 400. Провести расчеты, как в п. 4. Дополнить график этим вариантом.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]