鐵磁材料的滯回線和基本磁化曲線實(shí)驗(yàn)報(bào)告(20210317083948)

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 普通物理實(shí)驗(yàn)（2） 實(shí)驗(yàn)名稱： 鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線 學(xué)院：專業(yè)班級(jí): 學(xué)生姓名：學(xué)號(hào): 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 座位號(hào)：_ 實(shí)驗(yàn)時(shí)間: 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、掌握用磁滯回線測(cè)試儀測(cè)繪磁滯回線的方法。 2、了解鐵磁材料的磁化規(guī)律，用示波器法觀察磁滯回線比較兩種典型鐵磁 物質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化特性。 3、測(cè)定樣品的磁化特性曲線（B-H曲線），并作卩-H曲線。 4、測(cè)繪樣品在給定條件下的磁滯回線， 估算其磁滯損耗以及相關(guān)H 、的等參量 實(shí)驗(yàn)儀器: TH MHC型智能磁滯回線測(cè)試儀、示波器 三、實(shí)驗(yàn)原理： 1 鐵磁材料的磁滯特性 鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，用途廣泛的材料。鐵、鉆、鎳

2、及其眾多合金以及 含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特性是在外磁場(chǎng)作用下能被強(qiáng)烈磁化， 即磁導(dǎo)率卩很高。另一特征是磁滯，鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象是反復(fù)磁化過程中磁 場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間關(guān)系的特性。即磁場(chǎng)作用停止后，鐵磁物質(zhì)仍保留 磁化狀態(tài)，圖1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。 圖中的原點(diǎn)0表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即 B= H= 0,當(dāng)磁場(chǎng) 強(qiáng)度H從零開始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B隨之從零緩慢上升，如曲線 Oa繼之B 隨H迅速增長(zhǎng)，如曲線ab所示，其后B的增長(zhǎng)又趨緩慢，并當(dāng)H增至Hs時(shí)，B 達(dá)到飽和值Bs這個(gè)過程的OabS曲線稱為起始磁化曲線。如果在達(dá)到飽和狀態(tài)之

3、 后使磁場(chǎng)強(qiáng)度H減小，這時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的值也要減小。圖1表明，當(dāng)磁場(chǎng)從 耳逐漸減小至零，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到 “O點(diǎn)，而是沿另 一條新的曲線SR下降，對(duì)應(yīng)的B值比原先的值大，說明鐵磁材料的磁化過程是 不可逆的過程。比較線段 OS和SR可知，H減小B相應(yīng)也減小，但B的變化滯后 于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯。磁滯的明顯特征是當(dāng)H= O時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 值并不等于0,而是保留一定大小的剩磁 Br。 當(dāng)磁場(chǎng)反向從0逐漸變至-磁感應(yīng)強(qiáng)度B消失，說明要消除剩磁，可以 施加反向磁場(chǎng)。HD稱為矯頑力，它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，曲 線RD稱為退磁曲線。 圖1還表明，當(dāng)磁場(chǎng)按歸0

4、-0 次序變化，相應(yīng)的磁感 Ill1 應(yīng)強(qiáng)度B則沿閉合曲線SRDS R D S變化，可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度 B值的變化總是滯 后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，這條閉合曲線稱為磁滯回線。當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng) 中時(shí)（如變壓器中的鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)被磁化去磁反向磁化反向 去磁。磁滯是鐵磁材料的重要特性之一，研究鐵磁材料的磁性就必須知道它的磁 滯回線。各種不同鐵磁材料有不同的磁滯回線， 主要是磁滯回線的寬、窄不同和 矯頑力大小不同。 當(dāng)鐵磁材料在交變磁場(chǎng)作用下反復(fù)磁化時(shí)將會(huì)發(fā)熱，要消耗額外的能量，因 為反復(fù)磁化時(shí)磁體內(nèi)分子的狀態(tài)不斷改變， 所以分子振動(dòng)加劇，溫度升高。使分 子振動(dòng)加劇的能量是產(chǎn)生磁場(chǎng)的交流電

5、源供給的，并以熱的形式從鐵磁材料中釋 放，這種在反復(fù)磁化過程中能量的損耗稱為磁滯損耗， 理論和實(shí)踐證明，磁滯損 耗與磁滯回線所圍面積成正比。 當(dāng)初始狀態(tài)為H= B=O的鐵磁材料，在交變磁場(chǎng)強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次進(jìn)行磁 化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線， 如圖2所示，這些磁滯回 線頂點(diǎn)的連線稱為鐵磁材料的基本磁化曲線。 曲線和磁滯回線 Bi 圖3不同鐵磁材料的磁滯回線 可以說磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材 料分類和選用的主要依據(jù)，圖3為常見的 兩種典型的磁滯回線，其中軟磁材料的磁 滯回線狹長(zhǎng)、矯頑力?。?02A/m）、剩磁 和磁滯損耗均較小，磁滯特性不顯著，可 以近似地用它的起始磁化曲線來表

6、示其 磁化特性，這種材料容易磁化，也容易退 磁，是制造變壓器、繼電器、電機(jī)、交流 磁鐵和各種高頻電磁元件的主要材料。而 硬磁材料的磁滯回線較寬，矯頑力大 （102A/m），剩磁強(qiáng)，磁滯回線所包圍的面積肥大，磁滯特性顯著，因此硬磁材 料經(jīng)磁化后仍能保留很強(qiáng)的剩磁，并且這種剩磁不易消除，可用來制造永磁體 2 測(cè)繪磁滯回線原理 觀察和測(cè)量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖 4所示。 待測(cè)樣品為EI型矽鋼片，N為勵(lì)磁繞組，n為用來測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度 B而設(shè)置 的繞組。R為勵(lì)磁電流取樣電阻，設(shè)通過 N的交流勵(lì)磁電流為i，根據(jù)安培環(huán)路 定律，樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度： L為樣品的平均磁路 圖4磁滯回線實(shí)驗(yàn)線路 (1) 式

7、（1）中的N、L、K均為已知常數(shù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與示波器X輸入山成正比, 所以由門可確定Ho 在交變磁場(chǎng)下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)值 B是由測(cè)量繞組n和電路確定 的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通 的變化，在測(cè)量線圈中產(chǎn) 生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為 式中S為樣品的橫截面積?？紤]到測(cè)量繞組n較小，如果忽略自感電動(dòng)勢(shì)和 電路損耗，則回路方程為： 式中。為感生電流，直為積分電容C2兩端電壓。設(shè)在At時(shí)間內(nèi)，S向電容 C2的充電電量為Q貝U 所以 如果選取足夠大的只2和，使得 /G 2,則上式可以近似改寫為 因?yàn)?所以 (3) 將（3）式兩邊對(duì)時(shí)間t積分，代入（2）式可得 (4) 均為已知常數(shù)。磁場(chǎng)強(qiáng)

8、度 B與示波器Y輸入U(xiǎn)2成正比, 所以由12可確定Bo在交流磁化電流變化的一個(gè)周期內(nèi)， 示波器的光點(diǎn)將描繪出 一條完整的磁滯回線，并在以后每個(gè)周期都重復(fù)此過程，這樣在示波器的熒光屏上可以看到穩(wěn)定的磁滯回線。綜上所述，將圖 5中的U和U2分別加到示波器的 “X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品的B H曲線；如將U和12加到測(cè)試儀的 信號(hào)輸入端可測(cè)定樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs、剩磁Rr、矯頑力H磁滯損耗BH 以及磁導(dǎo)率卩等參數(shù)。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： (1) 電路連接：選樣品1按實(shí)驗(yàn)儀上所給的電路圖連接線路，并令R = 2.5 Q,“U選擇”置于0位。UH和UB (即U和U)分別接示波器的“X輸入”和 “Y

9、輸入”，插孔丄為公共端； (2) 樣品退磁：開啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對(duì)試樣進(jìn)行退磁，即順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)“ U 選擇”旋鈕，令U從0增至3V,然后逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，將U從最大值降為0, 其目的是消除剩磁，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即 B= H= 0，如圖5所示； (3) 觀察磁滯回線：開啟示波器電源，調(diào)節(jié)示波器，令光點(diǎn)位于熒光屏坐 標(biāo)網(wǎng)格中心，令U= 2.2V，并分別調(diào)節(jié)示波器x和y軸的靈敏度，使熒光屏上出 現(xiàn)圖形大小合適的磁滯回線(若圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)， 如圖6所示，這時(shí) 可降低勵(lì)磁電壓U予以消除)。記錄下 HS， BS， H C， Br各點(diǎn)坐標(biāo)值， 用div表示。(磁滯回線居中)； 注意：磁滯回

10、線應(yīng)盡量大些，以減小熒光屏讀數(shù)相對(duì)誤差。 (4) 觀察基本磁化曲線，按步驟2對(duì)樣品進(jìn)行退磁，從U= 0開始，逐檔提 高勵(lì)磁電壓，將在熒光屏上得到面積由小到大一個(gè)套一個(gè)的一簇磁滯回線。 這些 磁滯回線頂點(diǎn)的連線就是樣品的基本磁化曲線， 記錄下各電壓下相應(yīng) Hs，Bs 的坐標(biāo)值，用div表示。注意：實(shí)驗(yàn)過程中不能改變示波器 x和y軸的靈敏度。 (5) 換樣品2,重復(fù)上述步驟，并觀察、比較樣品 1和樣品2磁化性能的 不同。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理: (1)卩-H曲線及磁化特性曲線 R 二 2.5D |u/v UH/mV H/104A - m 1 UB/mV B/102Tj U ( = B/H)/

11、(H/m) 0.5 182 0.006 40.8 0.068 0.1121 1.0 366 0.012 67 0.112 0.0915 1.2 460 0.015 80 0.133 0.0870 1.5 675 0.023 102 0.170 0.0756 1.8 950 0.032 114 0.190 0.0600 2.0 1030 0.034 124 0.207 0.0602 2.2 1320 0.044 130 0.217 0.0492 2.5 1560 0.052 142 0.237 0.0455 2.8 1810 0.060 150 0.250 0.0414 3.0 2040 0.068 107 0.178 0.0262 (2)磁滯回線( =-) 序號(hào) IV諷 UB/mV 序號(hào) UH/ mV UB/mV 1 1560 142 9 -1560 -142 2 700 100 10 -700 -100 3 0 75 11 0 -75 4 -200 50 12 200 -50 5 -300 0 13 300 0 6 -400 -50 14 400 50 7 -1000 -110 15 1000 110 8 -1560