螺线管磁场设计的简易仿真分析方法

熊 娟，魏 薇，王 芳，刘 泉，刘熹微，陈福生

(1.华中农业大学 理学院，湖北 武汉 430070；2.华中农业大学 食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

螺线管是指多重卷绕的导电线圈，内部可以是空心或是金属芯。给螺线管通上电流，内部产生磁场[1-4]。螺线管的磁场大小与线圈材料、线圈匝数、线圈疏密、线管粗细、有无金属芯、金属芯材料、金属芯粗细、通过电流大小、电压大小等有关。通电螺线管因为其电流可调性高，能得到任意长度和大小的均匀磁场，应用非常广泛。螺线管是很多物理实验中的重要元件，可以用于电磁铁或电感器等[5,6]。在工程中可以用作转换器等[7,8]，在机械加工中，可以用来进行加磁切削等[9]。在食品加工中，用来物理杀菌等。近年来，磁受体蛋白的发现，揭示了动物感知光磁的机理，给光磁生物学带来新的机遇和挑战[10]。研究发现，光磁耦合对微生物生长、发育分化、次生代谢产物产生等也有显著影响[11]。因此，根据研究的需要来设计制造相应的(光)磁场设备日益迫切，本文着重讨论螺线管磁场设计的一种简易仿真分析方法。

1 设计原理

密绕螺线管磁场强度的公式有很多，常用的有：

B=μ0i=μ0NI/L

(1)

该公式是无限长密绕螺线管的磁场计算公式，其中μ0是真空磁导率，对于第一个等号n为单位长度的匝数，i为导线中的电流。对于第二个等号，针对的是当螺线管长度远大于其径向长度时的公式，NI是导线的安匝数，L为导线长度。

根据设计需求，螺线管磁铁内径限定为160 mm，中心磁场强度限定为500 Gs，能改变的参数为螺线管外直径及高度。……