亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

武彩霞 張苗苗

摘 要：本文通過亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)研究了線圈中磁場(chǎng)的分布情況；驗(yàn)證了場(chǎng)的疊加原理；采用集成霍爾傳感器探測(cè)亥姆霍茲線圈中的磁場(chǎng)。但是由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究局限性，使得最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值存在很大的偏差，所以本文對(duì)該實(shí)驗(yàn)中存在的一些問題提供了改進(jìn)的方法，以達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)誤差、提高實(shí)驗(yàn)精度的目的。

關(guān)鍵詞：集成霍爾傳感器；亥姆霍茲線圈；疊加原理

1 引言

在實(shí)驗(yàn)室研究中，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)是獲得勻強(qiáng)磁場(chǎng)的重要方法之一。亥姆霍茲線圈是由一對(duì)共軸放置，半徑為R并且兩線圈間距X和半徑R相等的圓線圈構(gòu)成。與永久磁鐵相比，赫姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又能產(chǎn)生均勻性較好的磁場(chǎng)【1】，所以成為磁測(cè)量等物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。測(cè)量亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法一般情況是使用探測(cè)線圈并配以指針式交流電壓表，測(cè)量產(chǎn)生磁場(chǎng)B的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但線圈體積過大，指針式交流電壓表等級(jí)低等原因使測(cè)量準(zhǔn)確度不高，難以完成較為準(zhǔn)確地測(cè)量亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)，并且不能實(shí)時(shí)顯示亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)的分布規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

亥姆霍茲線圈是由一對(duì)相同的、共軸的、且彼此平行的密繞的N匝線圈的圓環(huán)型電流。當(dāng)它們的間距等于圓環(huán)半徑R時(shí)，這種形狀的載流線圈被稱作赫姆霍茲線圈（Helmholtz線圈），亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)儀主要由兩部分組成。分別是亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)試架部分和亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x部分。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)

先按說明接線[3]，接著在勵(lì)磁電流為0的情況下將磁感應(yīng)強(qiáng)度清零，繼續(xù)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)電位器，使測(cè)量?jī)x顯示數(shù)字為500毫安。測(cè)量軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。得到數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)測(cè)量值及通過式（1）計(jì)算的理論值）：

2.3 勵(lì)磁電流大小對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度B值的影響

亥姆霍茲線圈仍然需要在勵(lì)磁電流為0的情況下將磁感應(yīng)強(qiáng)度B歸零。調(diào)節(jié)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器，使儀器顯示值大小為100毫安，將霍爾傳感器調(diào)節(jié)到亥姆霍茲線圈中心的位置。

徑向距離X=0，軸向距離X=0.

2.4數(shù)據(jù)處理及誤差分析

如圖1所示，不難看出當(dāng)軸向距離在-50到50的范圍內(nèi)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度基本是均勻的，而且通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值與理論計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值差別不大；當(dāng)軸向距離大于50時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小比較明顯，而且圖像左側(cè)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值與理論計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值有一定的差別。

3 改進(jìn)

3.1 存在的缺點(diǎn)

首先，實(shí)驗(yàn)中所使用的線圈體積大，指針式交流電壓表靈敏度不高，微小的電壓變化不能明顯的體現(xiàn)出來[4]，而且在讀數(shù)時(shí)也會(huì)造成很大的誤差，使得數(shù)據(jù)精確性不高。

3.2 具體改進(jìn)方法及優(yōu)點(diǎn)

（1）將亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x和亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)架結(jié)合為一體，這樣可以降低因接線錯(cuò)誤造成的失誤率，減少儀器損壞，而且操作更加簡(jiǎn)便；

（2）為了可以直觀、形象的看到亥姆霍茲兩線圈之間的磁場(chǎng)分布，利用Matlab軟件數(shù)值模擬能清晰呈現(xiàn)磁場(chǎng)分布情況[5]，有利于有效地進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)；

（3）為了提高實(shí)驗(yàn)精度，盡量做到使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，最大限度的減小實(shí)驗(yàn)誤差，我們可以采用適度轉(zhuǎn)動(dòng)傳感儀、磁場(chǎng)傳感器并且利用電子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的、實(shí)時(shí)的信號(hào)采集以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，從而能對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控，既可以做到改進(jìn)了原始數(shù)據(jù)的收集方法，又可以保留傳統(tǒng)的的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，并且將傳統(tǒng)的方法與現(xiàn)代的高科技結(jié)合起來。

4 結(jié)束語

本文按照傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，得到了以上所述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果有一定偏差，因此對(duì)傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)，但是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)發(fā)展成熟，改進(jìn)難度極大，受實(shí)驗(yàn)室和研究者知識(shí)儲(chǔ)備的局限性，僅僅只能提出一些理論上可行的改進(jìn)思路，來降低系統(tǒng)誤差，消除實(shí)驗(yàn)影響，使實(shí)驗(yàn)原理更加的清晰。

2017年度天水師范學(xué)院校級(jí)教研資助項(xiàng)目（資助號(hào)：SYJY201711）

作者簡(jiǎn)介：

武彩霞，天水師范學(xué)院，電子信息與電氣工程學(xué)院，講師，天水，741000