การศึกษาผลของขนาด รูปร่างและตำแหน่งของน้ำต่อค่าความจุไฟฟ้าด้วยการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์โดยใช้คอมโซล มัลติฟิสิกส์

The Effect of Size, Shape, and Position of Water on Capacitance by Finite Element Simulation using COMSOL Multiphysics

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาค่าความจุไฟฟ้าที่วัดได้จากน้ำที่มีขนาด รูปร่างและตำแหน่งระหว่างแผ่นตัวนำที่แตกต่างกันด้วยการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์โดยใช้ COMSOL Multiphysics ระบบวัดค่าความจุไฟฟ้าด้วยแผ่นตัวนำคู่ขนานที่ถูกจำลองขึ้น กำหนดให้แผ่นทองแดงขนาด 20×20cm 2 วางขนานห่างกัน 20cm โปรแกรมจำลองถูกสอบทานโดยใช้อากาศและน้ำเป็นตัวอย่าง ผลของการสอบทานพบว่าค่าไดอิเล็กทริกของน้ำและอากาศที่อุณหภูมิห้องมีค่าสอดคล้องกับค่าจริง คือ 78.9 และ 1.00063 ตามลำดับ ระบบจำลองถูกใช้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุไฟฟ้าเนื่องจากตำแหน่งวัสดุแวดล้อม พบว่าวัสดุแวดล้อมไม่มีผลกระทบเมื่อระบบวัดอยู่ห่างจากวัสดุแวดล้อมโดยรอบอย่างน้อย 30 cm ศึกษาผลกระทบที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนปริมาตรของวัสดุไดอิเล็กทริก (Volume ratio) พบว่าเมื่ออัตราส่วนปริมาตรเท่ากับ 0.05 ความจุไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป 3.32 เปอร์เซ็นต์ต่อการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนปริมาตร 0.01 การทดสอบผลกระทบที่เกิดจากรูปร่างของวัสดุไดอิเล็กทริกที่ต่างกัน 5 รูปทรงแต่มีปริมาตรเท่ากันประกอบด้วย ทรงลูกบาศก์ทรงสี่เหลี่ยมมุมฉาก ทรงกระบอก ทรงกลม และทรงรี พบว่าค่าความจุไฟฟ้าที่ได้ต่างกันไม่เกิน 6.11 เปอร์เซ็นต์โดยรูปทรงสี่เหลี่ยมมุมฉากให้ค่าความจุไฟฟ้ามากที่สุด และทรงรีให้ค่าความจุไฟฟ้าน้อยที่สุด สังเกตพบว่ากรณีวัสดุที่มีรูปทรงที่ใกล้เคียงกันจะมีค่า ความจุไฟฟ้าต่างกันประมาณไม่เกิน 3 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ผลการจำลองเมื่อวางวัตถุไว้ที่ตำแหน่งต่างกัน พบว่าเมื่อวาง วัสดุใกล้แผ่นตัวนำทั้งสองจะมีค่าความจุไฟฟ้ามากที่สุดและลดลงเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้น ความแตกต่างมีค่าไม่เกิน 3.09 เปอร์เซ็นต์ และยังพบว่าเมื่อวางวัสดุไว้ที่บริเวณแนวกึ่งกลางของแผ่นคู่ขนานจะได้ค่าความจุไฟฟ้าที่แตกต่างกันไม่มาก  This research studies the capacitance variations resulting from water of different sizes, shapes, and positions between conductor plates via simulations using COMSOL Multiphysics. The simulated system includes two 20×20 cm2 copper plates parallelly placed 20 cm apart. The simulation is verified using air and water as insertions. The results show that the dielectric constant of water and air, 78.9 and 1.00063, agrees with the literature. The capacitance changes due to the location of the surrounding objects become negligible when they are at least 30 cm away from the parallel plates. When the ratio of the dielectric material volume to total volume equals 0.05, a volume ratio variation of 0.01 causes 3.32% in the capacitance changes. A dielectric material of five shapes, i.e., cube, cuboid, cylinder, sphere, and ellipsoid, having an identical volume, has a capacitance variation no greater than 6.11%. The cuboid object gives the greatest capacitance, while the ellipsoid yields the smallest. Objects of a similar geometrical nature have a less than 3% capacitance difference. The capacitance displays greater values when the material gets closer to either plate. The value decreases as it moves farther from the plate; however, the deviation is less than 3.09%. Moreover, if the material is placed around the center of the parallel plate, the capacitance is insignificantly altered.