亥姆霍兹线圈磁场测量实验的改进

武彩霞 张苗苗

摘 要：本文通过亥姆霍兹线圈实验研究了线圈中磁场的分布情况；验证了场的叠加原理；采用集成霍尔传感器探测亥姆霍兹线圈中的磁场。但是由于传统实验的科学研究局限性，使得最终的实验数据与理论值存在很大的偏差，所以本文对该实验中存在的一些问题提供了改进的方法，以达到减少实验误差、提高实验精度的目的。

关键词：集成霍尔传感器；亥姆霍兹线圈；叠加原理

1 引言

在实验室研究中，用亥姆霍兹线圈产生均匀的磁场是获得匀强磁场的重要方法之一。亥姆霍兹线圈是由一对共轴放置，半径为R并且两线圈间距X和半径R相等的圆线圈构成。与永久磁铁相比，赫姆霍兹线圈产生的磁场结构简单又能产生均匀性较好的磁场【1】，所以成为磁测量等物理实验的重要组成部分。测量亥姆霍兹线圈产生磁场的方法一般情况是使用探测线圈并配以指针式交流电压表，测量产生磁场B的磁感应强度，但线圈体积过大，指针式交流电压表等级低等原因使测量准确度不高，难以完成较为准确地测量亥姆霍兹线圈的磁场，并且不能实时显示亥姆霍兹线圈磁场的分布规律。

2 实验

2.1 实验原理

亥姆霍兹线圈是由一对相同的、共轴的、且彼此平行的密绕的N匝线圈的圆环型电流。当它们的间距等于圆环半径R时，这种形状的载流线圈被称作赫姆霍兹线圈（Helmholtz线圈），亥姆霍兹线圈磁场仪主要由两部分组成。分别是亥姆霍兹线圈磁场测试架部分和亥姆霍兹线圈磁场测量仪部分。

2.2 实验内容及数据

先按说明接线[3]，接着在励磁电流为0的情况下将磁感应强度清零，继续调节磁场测量仪励磁电流的调节电位器，使测量仪显示数字为500毫安。测量轴向磁感应强度。得到数据（实验测量值及通过式（1）计算的理论值）：

2.3 励磁电流大小对磁感应强度B值的影响

亥姆霍兹线圈仍然需要在励磁电流为0的情况下将磁感应强度B归零。调节磁场测量仪器的励磁电流调节器，使仪器显示值大小为100毫安，将霍尔传感器调节到亥姆霍兹线圈中心的位置。

径向距离X=0，轴向距离X=0.

2.4数据处理及误差分析

如图1所示，不难看出当轴向距离在-50到50的范围内时，磁感应强度基本是均匀的，而且通过实验测量得出的磁感应强度值与理论计算出的磁感应强度值差别不大；当轴向距离大于50时，磁感应强度减小比较明显，而且图像左侧通过实验测量得出的磁感应强度值与理论计算出的磁感应强度值有一定的差别。

3 改进

3.1 存在的缺点

首先，实验中所使用的线圈体积大，指针式交流电压表灵敏度不高，微小的电压变化不能明显的体现出来[4]，而且在读数时也会造成很大的误差，使得数据精确性不高。

3.2 具体改进方法及优点

（1）将亥姆霍兹线圈磁场测量仪和亥姆霍兹线圈磁场架结合为一体，这样可以降低因接线错误造成的失误率，减少仪器损坏，而且操作更加简便；

（2）为了可以直观、形象的看到亥姆霍兹两线圈之间的磁场分布，利用Matlab软件数值模拟能清晰呈现磁場分布情况[5]，有利于有效地进行数值实验的教学活动；

（3）为了提高实验精度，尽量做到使实验数据更加准确，最大限度的减小实验误差，我们可以采用适度转动传感仪、磁场传感器并且利用电子计算机来进行动态的、连续的、实时的信号采集以及对数据进行测量，从而能对整个实验的过程进行实时有效的监控，既可以做到改进了原始数据的收集方法，又可以保留传统的的实验项目和内容，并且将传统的方法与现代的高科技结合起来。

4 结束语

本文按照传统的亥姆霍兹线圈磁场测量实验要求进行了标准的实验，得到了以上所述的实验结果，发现实验所得结果和理论计算结果有一定偏差，因此对传统的亥姆霍兹线圈磁场测量实验提出改进，但是因为传统的实验仪器设计发展成熟，改进难度极大，受实验室和研究者知识储备的局限性，仅仅只能提出一些理论上可行的改进思路，来降低系统误差，消除实验影响，使实验原理更加的清晰。

2017年度天水师范学院校级教研资助项目（资助号：SYJY201711）

作者简介：

武彩霞，天水师范学院，电子信息与电气工程学院，讲师，天水，741000