COMSOL模拟仿真静电场及对场强和等势面分析ε.pdf
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2021-10-05
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COMSOL模拟仿真静电场及对场强和等势面分析
摘要 ：为了研究电荷与电荷间相互作用的传递方式，法拉第首次创造性地提出场的观点，电场是
一种看不见、摸不着客观存在的物质，为对其描述形象化，法拉第又提出力线的概念。后经麦克斯韦
将场理论完善，形成今天意义上的电场。从麦克斯韦方程组可知，稳恒电流产生的电场与静电场相似。
随着技术的进步，出现 MATLAB模拟方法，模拟静电场模拟实验很多。本文利用多功能物理场模拟软件
COMSOLMultiphysics 来模拟电荷的电场及其电势，展示几种特殊的点电荷电场，不仅形象，直观，便
于观察分析，也易于学生的电磁学内容的学习。
关键词 ： 静电场 点电荷 COMSOL仿真模拟
一、研究背景
电磁学作为在高中物理教学必不可少的模块，而电磁场相对比较抽象，在高中教学比较难学，尤
其，涉及电磁场中的性质与场结合的分析。其次，电场的学习可以更好帮助学生对磁场性质的学习。
因此，对电场的掌握情况，直接影响整个电磁学的学习。对特殊电场，应该认识清楚其电场强度、电
压、电势和电场线的关系。
为使学习者更好地掌握电场特性， 人们试图让其形象化， 开始模拟静电场。 在静电场描绘实验中，
通常采用的方法是用一对电极产生的恒定电流模拟一对等量异种电荷
产生的静电场
[1]
，但是用稳恒电流来模拟静电场所带来的误差是很大的
[2]
。随着计算机技术的发展， 用
MATLAB来描绘一些特殊电荷周围的电场
[3]
。而 MATLAB主要是基于编程， 对库伦定律， 场的叠加原理应
运，物理实质不太明显。
本文采用的 COMSOLMultiphysics 是一款高度集成的大型工程模拟软件，提供几何结构创建、网
格剖分、物理过程定义、计算求解、数据可视化及后处理等功能。
二、研究电荷电场和等势面的模拟分析
（一）、单个点电荷的电场与等势面模拟
在物理教学中，点电荷作为一个物理理想模型，当带电小球的体积远小于其空间尺寸时，带电小
球可近似为一个点电荷。电荷周围存在电场，由高斯定理：
内S
s
dSE q
1
0
可很容易求出具有几
何对称结构导体的电场强度的大小，而对于电场强度分布不太直观。在 COMSOLMultiphysics 模拟点
电荷和各种带电导体球，可清楚的看到周围场的分布。
模拟是 0.001mm的带点小球，电荷密度 0.01C/m
2
在二维平面类，可以展示出正电荷和负电荷周围
电场分布情况。负点电荷模拟界面如图 1 ：
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