Magnetic field around the solenoid axis
密绕螺线管除了沿轴主磁场外,还有一个被大家忽略的磁场分量,就是绕轴磁场。
之所以绕轴磁场不被大家注意,甚至全然不知,一是因为在一般应用场合完全可以不考虑绕轴磁场,再就是绕轴磁场分量相比于沿轴磁场分量而言是极其微弱的,不易被察觉。还有就是教科书上总把螺线管的磁场等效为永磁棒或一系列电流环,而这种等效是近似等效,自然就会忽略一些东西,绕轴磁场就是被忽略掉了,以至于大家将它忘却。然而,在一些特殊的应用场合,我们就不得不考虑绕轴磁场的存在,本人也是因特殊需求才开始关注它。
如果环绕螺线管做一个闭合回路L,当螺线管通电后就会有电流穿过回路L,根据安培环路定律就可以断定有绕轴磁场的存在。如下左图, 此时,沿轴磁场B1=μnI,绕轴磁场B2=μI(单层绕制时)。(注意左图的电流只用来表示电流的方向,不代表电流的实际位置,电流的实际位置在穿过回路L的导线截面上)
但是当我们用一系列电流环等效螺线管时,得出的结论则是没有绕轴磁场存在,因为这种情况下没有电流会穿过回路L。如下右图。
为了检测绕轴磁场,本人设计了一个实验装置,思路如下:
将螺线管弯曲并首尾相连成螺绕环,如图所示,此时的螺绕环可等效为无限长螺线管,其沿轴磁场被完全束缚在管内,而管外仅存在绕轴磁场。(注意,绕轴磁场所说的轴是管的轴,不是环的轴)
将这个螺绕环套在磁芯上,则磁芯中就汇集了绕轴磁场,在磁芯的另一端绕一检测线圈用于检测绕轴磁场,整个装置如下所示:
实际上这个装置就是一个变相的变压器,螺绕环上线圈的层数就是初级线圈的匝数(多层线圈要连续同向绕制)可等效为下图:
此时,沿轴磁场B1=μLnI,绕轴磁场B2=μLI,L为线圈的层数(多层线圈要连续同向绕制)。
可以进一步定义:
绕轴匝数,绕轴电流,绕轴电感,这些产生沿轴磁场;
沿轴匝数,沿轴电流,沿轴电感,这些产生绕轴磁场。
在装置初级输入交流电压Ui,同时用示波器监视次级电压Uo,如果Uo≠0,则说明检测到了绕轴磁场。
实验采用2KHz方波作为输入信号,输出端用示波器监视,结果表明,当输入端加入信号后输出便检测到了信号。
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