在 COMSOL 中模拟电磁线圈

早睡早起做不到 1月3日 604浏览 1收藏

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科学家使用亥姆霍兹线圈来产生均匀的磁场，用于研究电磁场及其特性。在 MRI、光谱学、磁阻测量和设备校准中都会使用这类设备。这篇文章，我们将介绍什么是亥姆霍兹线圈，为什么它如此重要，以及使用仿真方法对其进行设计。

使用亥姆霍兹线圈产生均匀磁场

磁场由移动电荷产生，当电荷在空间中移动或旋转时，能够建立磁场。当磁场不均匀时，物体在各处的磁场均不同。但是，通过两个相同线圈的特殊排列（称为亥姆霍兹线圈）可以得到非常均匀的磁场。

亥姆霍兹线圈用于为需要特定磁场的实验产生均匀磁场或抵消外部磁场，如地球磁场。其他应用还包括确定磁屏蔽效果、量化电子设备对磁场的敏感性以及校准导航设备。

在 COMSOL 中模拟电磁线圈的图1
阴极射线在亥姆霍兹线圈中弯曲成一个圆圈。图片来源：Sfu。根据 CC BY-SA 3.0授权，通过 Wikimedia Commons 共享。

在设计亥姆霍兹线圈时，很自然地会提出一个问题：磁场的均匀性如何，距离应多远？我们可以借助 COMSOL Multiphysics® 软件来回答这个问题，。

分析亥姆霍兹线圈的磁场

亥姆霍兹线圈的几何形状由两个相同的圆形线圈组成，它们之间间隔一个半径。线圈均匀缠绕，以使电流以相同的方向流动。反过来，这又会产生均匀的磁场，其中主要部件平行于两个线圈的中心轴。这种均匀性可以归因于平行于线圈轴的两个场分量的总和以及垂直于这些相同轴的分量之间的差。

在 COMSOL 中模拟电磁线圈的图2
亥姆霍兹线圈示意图。

为了对线圈进行建模，我们使用 COMSOL 软件内置的 3D 磁场接口，该接口在 AC/DC 模块中可用。这个例子中，线圈由 10 匝导线组成，有 0.25 mA 的电流通过。

在 COMSOL 中模拟电磁线圈的图3
亥姆霍兹线圈教程模型的几何结构。

从下图中，我们可以看到两个线圈之间的磁通密度。请注意，红色箭头表示磁场的强度和方向。结果表明，两个线圈中心的磁通密度大多均匀，线圈边缘附近的磁场不均匀。垂直于线圈轴的场分量相互抵消，导致净场为零，而平行于线圈轴的场分量相互叠加。

在 COMSOL 中模拟电磁线圈的图4
描述两个线圈之间磁通密度的切面图。

使用后处理技术，可以更仔细地观察磁场的均匀性。观察结果图，可以看到线圈中心的均匀平行磁通量和靠近线圈附近的不均匀性。

通过后处理技术可视化亥姆霍兹线圈的均匀磁场。

就像这个示例中所展示的，仿真进一步简化了构建亥姆霍兹线圈和计算其磁场的过程。对于各种应用，这类分析可以帮助确保这些场的均匀性，这通常是亥姆霍兹线圈最受欢迎的特征。

本文来自：COMSOL 博客

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