maxwell作业——尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响

尖端放电现象以及尖端尺寸对放电

的影响

电子专业

张卓

范泰安

周艳飞

尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响

原理解释

处于静电平衡状态的导体，导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面(这是因为，假设导体内部有电荷，导体内部的场强就不可能为零，自由电荷就会发生定向移动，导体也就没有处于静电平衡状态)；在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷(关于这一点，不妨设想一个极端情况的例子：一枝缝衣针，带电后由于同种电荷相互排斥，电荷自然要被“挤”到针的两端)。

导体尖端的电荷密度很大，附近的场强很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞“散”，也就是使分子中的正负电荷分离。这个现象叫做空气的电离(ionization)。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些带点粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。这个现象叫做尖端放电。

避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。它是一个或几个尖锐的金属棒，保持与大地的良好接触。当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与于云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。

尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的尖端放电。

建立模型

圆弧尖端模型三角尖端模型

仿真步骤

打开Maxwell sv，新建Maxwell 2D工程。slover选择Electrostatic；Drawing选择XY Plane。

1.绘制模型

用画曲线，用Object→Polyline画直线和折线。

定义：三角尖端模型为one，红色；

圆弧尖端模型为two，红色；

水平板为ground，褐色；

2.设置材料

两个尖端和平行板材料均选为铜。

选中object，在Material栏中选择copper，然后左击Assign。

3.设置激励源

点击Edit>Select>Object>By Clicking；选中要编辑的物体。点击Assign>Souce>Solid,名称source1出现在Boundary栏中。在图形下方“charge”

和“voltage”选voltage,然后将Value中的设为100000V。点击Assign。按上述步骤设定one和two的电压为100000V，设定ground的电压值为0V。

4.设置边界条件

气球边界模拟无限大的求解区，可以有效地隔绝模型外的电荷源或电压源。有两种类型的气球边界条件：Charge；Voltage。其中Charge模拟无限远处的电荷与求解区内的电荷想匹配，强制净电荷为零。Voltage模拟无限远处电势为零，实际上可以模拟静电绝缘系统。在大多数情况下，指定Voltage类型的气球边界与指定Charge类型的气球边界所得结果非常类似，但在实际上无穷远出的电荷并不与求解区内的电荷相匹配，故选择Charge 类型。

在图形显示区域中点击背景中的任意一个位置，以选中整个区域的边界。点击Assign>Boundary>Balloon。在Boundary栏中出现balloon1。在图形显示区域下方选择Charge。点击Assign。

5.定义选项

在“Executive Commands”窗口中点击Setup Executive Parameters>Matrix,出现Capacitance Matrix Setup窗口。将两尖端定义为Signal Line，将平板定义为：Ground。如定义尖端：

a)在“object”栏中点击“one”和“two”。

b)选择“Inculde in matrix”。

c)选择“Signal Line”,然后点击Assign。

6.点击“slove”，运行。

7.查看求解场图

电场分布图

点击菜单栏中的plot—Field—mag E—Surface-all-—-all-，点击ok。显示电场强度的幅值分布情况。

能量分布图

点击菜单栏中的plot—Field—Energy—Surface-all-—-all-，点击ok。显示能量的幅值分布情况。

电压分布图

结论

从电场分布图中我们可以看出，无论是哪种尖端模型，电场都集中分布在导体表面，并且在尖端处明显要比其他位置集中。圆弧尖端模型在尖端处的电场强度比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的电场在尖端处更为集中。

从能量布图中我们可以看出，能量只集中分布在导体尖端附近，圆弧尖端模型在尖端处

的能量比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的能量大的范围更广。

所以在导体表面，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。这就是尖端放电模型。

拓展研究

通过上课的研讨，我们知道了我们研讨的不足。不足之处有我们进行的圆弧尖端模型和三角尖端模型模拟实验太少，无法得出尖端角度和弧度的大小对放电的影响；其次，我们在仿真中将圆弧尖端模型和三角尖端模型放在同一个环境中，可能会相互产生影响。

针对以上不足，我组对不同的角度的三角尖端模型和不同曲率半径的圆弧尖端模型分别进行了多组测试，并得出了一般性的结论。

条件：在该模拟中我们将尖端的电压设定为100000V，平板电压为0；且材料均为铜。

一、下面是三角尖端模型当尖端角度逐渐变小时，电场E（V/m）的变化。