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计算空心圆柱线圈轴线上的磁感应强度
三水合番2017/01/20物理 IP:黑龙江

这种线圈很常见,比如这种
IMG_20150820_131802.jpg
下面开始计算

取一个内半径\( r_0 \),外半径\( r_1 \),长\( z_1-z_0 \)的线圈,用过轴线的平面将线圈剖开,如下图。
以线圈轴线为z轴,建立一个直角坐标系。
圆柱线圈模型.bmp
其中,A B C D为线圈剖面的四个端点,设其坐标为\( A(\theta,r_0,z_1) \) ,\( B(\theta,r_1,z_1) \) ,\( C(\theta,r_0,z_0) \) , \( D(\theta,r_1.z_0) \)(柱坐标系),四个点与坐标原点的连线同z轴的夹角分别为 ϕa,b,c,d
毕奥萨法尔定律如下,它描述电流元在空间任意点处所激发的磁场,详见各种百科d\boldsymbolB=μ0I4πρ3d\boldsymboll×\boldsymbolρ由于线圈中的电流密度方向均与轴线垂直,|d\boldsymboll×\boldsymbolρ|=ρdl故 。
这里只计算线圈轴线上的磁感应强度,由于线圈关于轴线对称,故轴线上磁场的径向分量互相抵消,只需要考虑磁感应强度的轴向分量 Bz
dBz=|d\boldsymbolB|sinφ=μ0Isinφ4πρ2dl作代换
dl=rdθI=Jdrdz
sinφ=rρρ=r2+z2其中,J为线圈电流面密度。
dBz进行积分,得到Bz
Bz=VdBz=r0r1drz0z1dz02πμ0Jr24π(r2+z2) 3/2dθ
积完后得到
Bz=μ0J2[f(z1,r1)f(z1,r0)f(z0,r1)+f(z0,r0)]其中
f(z,r)=zln|z2+r2+rz|
通过改变z0,z1的值,可以画出线圈轴线上的磁感应强度-位置曲线。
磁强-线圈长度.jpg 比如这幅图是内径7mm,外径16mm,长度分别为10,20,30mm的三个线圈,在电流密度为500A/mm2时,在其轴线上的磁感应强度-位置曲线。其中横坐标的0为线圈几何中心。

[修改于 3年8个月前 - 2021/08/21 17:26:29]

来自:数理化 / 物理
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