用示波器觀測(cè)鐵磁材料的

1、實(shí)驗(yàn)十三 鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線的測(cè)量鐵磁物質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的材料。如航天、通信、自動(dòng)化儀表及控制等都無(wú)不用到鐵磁材料（鐵、鈷、鎳、鋼以及含鐵氧化物均屬鐵磁物質(zhì)）。因此，研究鐵磁材料的磁化性質(zhì)，不論在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上都有重大的意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究這些性質(zhì)不僅能掌握用示波器觀察磁滯回線以及基本磁化曲線的基本測(cè)繪方法，而且能從理論和實(shí)際應(yīng)用上加深對(duì)材料磁特性的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握磁滯、磁滯回線和磁化曲線的概念，加深對(duì)鐵磁材料的主要物理量：矯頑力、剩磁和磁導(dǎo)率的理解。2、學(xué)會(huì)用示波法測(cè)繪基本磁化曲線和磁滯回線。3、根據(jù)磁滯回線確定磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁和矯頑力的數(shù)值。

2、4、研究不同頻率下動(dòng)態(tài)磁滯回線的區(qū)別。5、研究不同磁性材料磁滯回線形狀的變化。實(shí)驗(yàn)原理1、磁化曲線如果在通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中放入鐵磁物質(zhì)，則磁場(chǎng)將明顯增強(qiáng)，此時(shí)鐵磁物質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度比單純由電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大百倍，甚至在千倍以上。鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度有如下的關(guān)系： 對(duì)于鐵磁物質(zhì)而言，磁導(dǎo)率并非常數(shù)，而是隨的變化而改變的物理量，即，為非線性函數(shù)。所以如圖1所示，與也是非線性關(guān)系。鐵磁材料的磁化過(guò)程為：其未被磁化時(shí)的狀態(tài)稱為去磁狀態(tài)，這時(shí)若在鐵磁材料上加一個(gè)由小到大的磁化場(chǎng)，則鐵磁材料內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之變大，其變化曲線如1所示。但當(dāng)增加到一定值后，幾乎不再隨的增加

3、而增加，說(shuō)明磁化已達(dá)飽和，從未磁化到飽和磁化的這段磁化曲線稱為材料的起始磁化曲線。如圖1中的段曲線所示。2、磁滯回線當(dāng)鐵磁材料的磁化達(dá)到飽和之后，如果將磁化場(chǎng)減少，則鐵磁材料內(nèi)部的和也隨之減少，但其減少的過(guò)程并不沿著磁化時(shí)的段退回。從圖2可知當(dāng)磁化場(chǎng)撤消，時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度仍然保持一定數(shù)值稱為剩磁（剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度）。若要使被磁化的鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度減少到0，必須加上一個(gè)反向磁場(chǎng)并逐步增大。當(dāng)鐵磁材料內(nèi)部反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到時(shí)（圖2上的c點(diǎn)），磁感應(yīng)強(qiáng)度才等于，達(dá)到退磁。圖2中的的段曲線稱作退磁曲線，為矯頑磁力。如圖2所示，當(dāng)按Hc的順序變化時(shí)，相應(yīng)沿順序變化。圖中的段曲線稱作起始磁化曲線，所形成的

4、封閉曲線稱為磁滯回線。曲線段稱為退磁曲線。由圖2可知：（1）當(dāng)時(shí)，這說(shuō)明鐵磁材料還殘留一定值的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通常稱為鐵磁物質(zhì)的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱剩磁）（2）若要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，即，必須加一個(gè)反方向磁場(chǎng)。這個(gè)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度(有時(shí)用其絕對(duì)值表示)，稱為該鐵磁材料的矯頑磁力。（3）的變化始終落后于的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。（4）上升與下降到同一數(shù)值時(shí)，鐵磁材料內(nèi)的值并不相同，退磁化過(guò)程與鐵磁材料過(guò)去的磁化經(jīng)歷有關(guān)。（5）當(dāng)從初始狀態(tài)，開(kāi)始周期性地改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值時(shí)，在磁場(chǎng)由弱到強(qiáng)地單調(diào)增加過(guò)程中，可以得到面積由小到大的一簇磁滯回線，如圖3所示。其中最大面積的磁滯回線稱為極限磁滯回線。（6）由

5、于鐵磁材料磁化過(guò)程的不可逆性及具有剩磁的特點(diǎn)，在測(cè)定磁化曲線和磁滯回線時(shí)，首先必須將鐵磁材料預(yù)先退磁，以保證外加磁場(chǎng)，；其次，磁化電流在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只允許單調(diào)增加或減少，不能時(shí)增時(shí)減。在理論上，要消除剩磁，只需通一反向磁化電流，使外加磁場(chǎng)正好等于鐵磁材料的矯頑磁力即可。實(shí)際上，矯頑磁力的大小通常并不知道，因而無(wú)法確定退磁電流的大小。我們從磁滯回線得到啟示，如果使鐵磁材料磁化達(dá)到磁飽和，然后不斷改變磁化電流的方向，與此同時(shí)逐漸減少磁化電流，直到等于零。則該材料的磁化過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)一連串面積逐漸縮小而最終趨于原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖4所示。當(dāng)減小到零時(shí)，亦同時(shí)降為零，達(dá)到完全退磁。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)

6、磁化后，的量值關(guān)系形成一個(gè)穩(wěn)定的閉合的“磁滯回線”。通常以這條曲線來(lái)表示該材料的磁化性質(zhì)。這種反復(fù)磁化的過(guò)程稱為“磁鍛煉”。本驗(yàn)使用交變電流，所以每個(gè)狀態(tài)都是經(jīng)過(guò)充分的“磁鍛煉”，隨時(shí)可以獲得磁滯回線。我們把圖3中原點(diǎn)O和各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)所連成的曲線，稱為鐵磁性材料的基本磁化曲線。不同的鐵磁材料其基本磁化曲線是不相同的。為了使樣品的磁特性可以重復(fù)出現(xiàn)，也就是指所測(cè)得的基本磁化曲線都是由原始狀態(tài)（，）開(kāi)始，在測(cè)量前必須進(jìn)行退磁，以消除樣品中的剩余磁性。在測(cè)量基本磁化曲線時(shí)，每個(gè)磁化狀態(tài)都要經(jīng)過(guò)充分的“磁鍛煉”。否則，得到的曲線即為開(kāi)始介紹的起始磁化曲線，兩者不可混淆。3、示波器顯示曲線的原理線

7、路示波器測(cè)量曲線的實(shí)驗(yàn)線路如圖5所示。本實(shí)驗(yàn)研究的鐵磁物質(zhì)是字形鐵芯試樣（如圖6所示）。在式樣上繞有勵(lì)磁線圈匝和測(cè)量線圈匝。若在線圈N1中通過(guò)磁化電流時(shí)，此電流在試樣內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)安培環(huán)路定律 ，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小為： （131） 其中為的字形鐵芯試樣的平均磁路長(zhǎng)度。（在圖6中用虛線表示）。 由圖5可知示波器(X)軸偏轉(zhuǎn)板輸入電壓為： （132）由式（1）和式（2）得： （133）上式表明在交變磁場(chǎng)下，任一時(shí)刻電子束在軸的偏轉(zhuǎn)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，在次級(jí)線圈上串聯(lián)一個(gè)電阻與電容構(gòu)成一個(gè)回路，同時(shí)與又構(gòu)成一個(gè)積分電路。取電容兩端電壓至示波器()軸輸入，若適當(dāng)選擇和，使 ，則：式中，為

8、電源的角頻率，為次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因交變的磁場(chǎng)在樣品中產(chǎn)生交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度，則：(式中 為鐵芯試樣的截面積，設(shè)鐵芯的寬度為，厚度為)則： （134）上式表明接在示波器軸輸入的正比于。電路在電子技術(shù)中稱為積分電路，表示輸出的電壓是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)時(shí)間的積分。為了如實(shí)地繪出磁滯回線，要求：（1）。（2）在滿足上述條件下，振幅很小，不能直接繪出大小適合需要的磁滯回線。為此，需將經(jīng)過(guò)示波器軸放大器增幅后輸至軸偏轉(zhuǎn)板上。這就要求在實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)的頻率范圍內(nèi)，放大器的放大系數(shù)必須穩(wěn)定，不會(huì)帶來(lái)較大的相位畸變。事實(shí)上示波器難以完全達(dá)到這個(gè)要求，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如圖7所示的畸變。觀測(cè)時(shí)將軸輸入選擇“”，軸輸入

9、選擇“”檔，并選擇合適的和的阻值可得到最佳磁滯回線圖形，避免出現(xiàn)這種畸變。這樣，在磁化電流變化的一個(gè)周期內(nèi)，電子束的徑跡描出一條完整的磁滯回線。適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器和軸增益，再由小到大調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓，即能在屏上觀察到由小到大擴(kuò)展的磁滯回線圖形。逐次記錄其正頂點(diǎn)的坐標(biāo)，并在坐標(biāo)紙上把它聯(lián)成光滑的曲線，就得到樣品的基本磁化曲線。4、示波器的定標(biāo)從前面說(shuō)明中可知從示波器上可以顯示出待測(cè)材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線，但為了定量研究磁化曲線和磁滯回線，必須對(duì)示波器進(jìn)行定標(biāo)。即還須確定示波器的軸的每格代表多少值（），軸每格實(shí)際代表多少。一般示波器都有已知的軸和軸的靈敏度，可根據(jù)示波器的使用方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)使用的儀

10、器就可以對(duì)軸和軸分別進(jìn)行定標(biāo)，從而測(cè)量出值和值的大小。設(shè)軸靈敏度為，軸的靈敏度為（上述和均可從示波器的面板上直接讀出），則： 式中，分別為測(cè)量時(shí)記錄的坐標(biāo)值（單位：格，注意，指一大格）由于本實(shí)驗(yàn)使用的都是阻抗值已知的標(biāo)準(zhǔn)元件，誤差很小，其中的為無(wú)感交流電阻，的介質(zhì)損耗非常小。所以綜合上述分析，本實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算公式為： （135） （136）式中各量的單位：?jiǎn)挝皇?；單位是；單位是 ；單位是；單位是；，單位是格；的單位是；的單位是。實(shí)驗(yàn)儀器 磁滯回線測(cè)量?jī)x、示波器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注意：實(shí)驗(yàn)前先熟悉實(shí)驗(yàn)的原理和儀器的構(gòu)成。使用儀器前先將信號(hào)源輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針到底（多圈電位器），使輸出信號(hào)為最小。然后調(diào)

11、節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕，因?yàn)轭l率較低時(shí)，負(fù)載阻抗較小，在信號(hào)源輸出相同電壓下負(fù)載電流較大，會(huì)引起采樣電阻發(fā)熱。一、顯示和觀察2種樣品在交流信號(hào)下的磁滯回線圖形。1、 按圖8所示線路接線。1）逆時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕到底，使信號(hào)輸出最小。2）調(diào)示波器顯示工作方式為方式，即圖示儀方式。3）示波器輸入為方式，測(cè)量采樣電阻的電壓。4）示波器輸入為方式，測(cè)量積分電容的電壓。5）用專用接線接通樣品1(或樣品2)的初級(jí)與次級(jí)（注：接地端儀器內(nèi)已連接）。6）接通示波器和型動(dòng)態(tài)磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀電源，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器輝度，以免熒光屏中心受損。預(yù)熱10分鐘后開(kāi)始測(cè)量。2、示波器光點(diǎn)調(diào)至顯示屏中心，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示

12、窗顯示。3、單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上B值增加緩慢，達(dá)到飽和。改變示波器上、輸入增益段開(kāi)關(guān)并鎖定增益電位器（一般為順時(shí)針到底），調(diào)節(jié)的大小，使示波器顯示出典型美觀的磁滯回線圖形。4、單調(diào)減小磁化電流，即緩慢逆時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，直到示波器最后顯示為一點(diǎn)，位于顯示屏的中心，即X和Y軸線的交點(diǎn)，如不在中間，可適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器的和位移旋鈕，把顯示圖形移到顯示屏的中心。5、單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上值緩慢增加，達(dá)到飽和，改變示波器上、輸入增益波段開(kāi)關(guān)和的值，示波器顯示典型美觀的磁滯回線圖形。磁化電流在水平方向上

13、的讀數(shù)為（）格。6、逆時(shí)針調(diào)節(jié)（幅度調(diào)節(jié)旋鈕到底），使信號(hào)輸出最小，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示窗分別顯示連續(xù)可調(diào)，重復(fù)上述的操作步驟，比較磁滯回線形狀的變化。表明磁滯回線形狀與信號(hào)頻率有關(guān)，頻率越高磁滯回線包圍面積越大，用于信號(hào)傳輸時(shí)磁滯損耗也大。7、更換實(shí)驗(yàn)樣品，重復(fù)上述步驟，觀察時(shí)的磁滯回線。二、測(cè)磁化曲線和動(dòng)態(tài)磁滯回線：1、在實(shí)驗(yàn)儀樣品架上插好實(shí)驗(yàn)樣品，逆時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕到底，使信號(hào)輸出最小。將示波器光點(diǎn)調(diào)至顯示屏中心，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示窗顯示。2、退磁。1）單調(diào)增加磁化電流，順時(shí)針緩慢調(diào)節(jié)信號(hào)幅度旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上值增加變得緩慢，達(dá)到飽和。改變示波器

14、上、輸入增益和的值，示波器顯示典型美觀的磁滯回線圖形。磁化電流在水平方向上的讀數(shù)為（）格，此后，保持示波器上、輸入增益波段開(kāi)關(guān)和值固定不變并鎖定增益電位器（一般為順時(shí)針到底），以便進(jìn)行、的標(biāo)定。2）單調(diào)減小磁化電流，即緩慢逆時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，直到示波器最后顯示為一點(diǎn)，位于顯示屏的中心，即和軸線的交點(diǎn)，如不在中間，可調(diào)節(jié)示波器的和位移旋鈕。實(shí)驗(yàn)中可用示波器、輸入的接地開(kāi)關(guān)檢查示波器的中心是否對(duì)準(zhǔn)屏幕、坐標(biāo)的交點(diǎn)。3、磁化曲線（即測(cè)量大小不同的各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)的連線）。單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時(shí)針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，磁化電流在方向讀數(shù)為、，單位為格，記錄磁滯回線頂點(diǎn)在方向上讀數(shù)，如表13-1

15、，單位為格。磁化電流在X方向上的讀數(shù)為（）格時(shí)，示波器顯示典型美觀的磁滯回線圖形。此后，保持示波器上的、輸入增益波段開(kāi)關(guān)和R1、R2值固定不變，并鎖定增益微調(diào)電位器（一般為順時(shí)針到底），以便進(jìn)行H、B的標(biāo)定。 4、動(dòng)態(tài)磁滯回線在磁化電流方向上的讀數(shù)在（）格范圍時(shí)，記錄示波器顯示的磁滯回線在坐標(biāo)為、格時(shí)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，記入表格13-2 。顯然最大值對(duì)應(yīng)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 。，讀數(shù)對(duì)應(yīng)剩磁 。，讀數(shù)對(duì)應(yīng)矯頑力 。5、改變磁化信號(hào)的頻率，重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理1、 作磁化曲線：表13-1：測(cè)繪磁化曲線數(shù)據(jù)記錄表 序號(hào)123456789101112 00.200.400.600.801.001.502.

16、002.503.004.005.00000 由前所述，、的計(jì)算公式為：上述公式中，硅鋼片鐵芯實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)如下：、值根據(jù)儀器面板上的選擇值計(jì)算。對(duì)于樣品1(軟磁)。其中，為鐵芯實(shí)驗(yàn)樣品平均磁路長(zhǎng)度；為鐵芯實(shí)驗(yàn)樣品截面積；為磁化線圈匝數(shù)；為副線圈匝數(shù)；為磁化電流采樣電阻，單位為；為積分電阻，單位為；為積分電容，單位為。為示波器軸靈敏度，單位；為示波器軸靈敏度，單位； 按表中數(shù)據(jù)作磁化曲線 。 樣品2（硬磁）數(shù)據(jù)表格與13-1相同，略。2、 作磁滯回線：表13-2：測(cè)繪磁滯回線數(shù)據(jù)記錄表 X（格）H (A/m)Y（格）B（mT）Y（格）B（mT）5.004.003.002. 001. 00