การคำนวณเชิงตัวเลขและสร้างขดลวดสนามแม่เหล็กแบบเฮล์มโฮลต์

Abstract

ขดลวดเฮล์มโฮลต์แบบจินตภาพคืออุปกรณ์ที่ประกอบด้วยขดลวด 2 ขดที่มีจำนวนขดลวดเท่ากัน ความหนาของขดลวดน้อยมาก วางตัวขนานกันห่างกันเท่ากับรัศมีของขดลวด กระแสที่ไหลในแต่ละขดลวดเท่ากันและมีทิศเดียวกัน สมการของสนามแม่เหล็กบนแกนของขดลวดสามารถเขียนได้ในเทอมของรัศมีขดลวดและระยะห่างจากขดลวดโดยใช้กฎของBiot-Savart ได้อย่างไม่ยากซึ่งทำให้สามารถออกแบบและสร้างขดลวดที่มีค่าสนามแม่เหล็กตรงกับที่คำนวณได้ อย่างไรก็ตามสำหรับขดลวดเฮล์มโฮลต์ที่เป็นจริงขดลวดจะมีความหนา สมการของสนามแม่เหล็กบนแกนของขดลวดจึงมีความซับซ้อนและสนามแม่เหล็กที่ดีจะไม่อยู่ที่ตำแหน่งเดียวกับขดลวดเฮล์มโฮลต์แบบจินตภาพ ในงานวิจัยนี้ ใช้กฎของ Biot-Savart คำนวณหาสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าแบบวงปิด ขดลวดโซลินอยล์แบบบาง ขดลวดโซลินอยล์แบบหนา และขดลวดเฮล์มโฮลต์แบบจริง ผู้วิจัยได้ออกแบบขดลวดเฮล์มโฮลต์แบบจริงโดยใช้ผลการคำนวณเชิงวิเคราะห์และเชิงตัวเลข ได้ขดลวดมีเส้นผ่านศูนย์กลางวงใน 5 เซนติเมตร วงนอกมีเส้นผ่านศูนย์กลาง21.5เซนติเมตร มี 1,200 รอบต่อขดลวด ใช้ลวดทองแดงเบอร์ SWG 16 AIW เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.16 เซนติเมตร และเพื่อความสะดวกในการใช้งานระยะห่างระหว่างขดลวด สามารถปรับได้และมีน้ำหนักทั้งหมด 22 กิโลกรัม ได้ทำการทดลองวัดค่าสนามแม่เหล็กที่แกนกลางและนอกแกนกลางในระนาบด้านในของขดลวดพบว่าสนามแม่เหล็กมีการกระจายตัวสม่ำเสมอ ที่ระยะห่างระหว่างขดลวดเป็น 2 เซนติเมตร กระแสไฟฟ้า 2.8 แอมแปร์ ได้ค่าสนามแม่เหล็ก 0.0378 เทสลา และมีค่าสูงขึ้นเมื่อใช้แกนเหล็กโดยได้ค่าเท่ากับ 0.149 เทสลา