磁化曲線與磁滯回線的研究

1、磁化曲線與磁滯回線的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解鐵磁質(zhì)在磁場(chǎng)中磁化的原理及其磁化規(guī)律。2 學(xué)習(xí)使用雙蹤示波器測(cè)繪基本磁化曲線和磁滯回線。3測(cè)定樣品的磁滯回線，確定矯頑力，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)。、實(shí)驗(yàn)儀器 雙蹤示波器，CZY-1型磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀 三、實(shí)驗(yàn)原理磁性材料應(yīng)用廣泛，從常用的永久磁鐵、變壓器鐵芯到錄音、錄像、計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)的磁盤等都采用磁性材料。磁滯回線和基本磁化曲線反映了磁性材料的主要 特征。通過實(shí)驗(yàn)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) 量方法，而且能從理論和實(shí)際應(yīng)用上加深對(duì)鐵磁材料的認(rèn)識(shí)。鐵磁材料分為硬磁和軟磁兩大類，其根本區(qū)別在于矯頑磁力H c的大小不同

2、。 硬磁材料的磁滯回線寬，剩磁和矯頑力大（達(dá)到 12020000A/m以上），因而磁 化后，其磁性可長(zhǎng)久保持，適宜做永久磁鐵。軟磁材料的磁滯回線窄，矯頑力Hc 一般小于120A/m,但其磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，容易磁化和去磁，故廣泛 用于電機(jī)、電器和儀表制造等工業(yè)部門。磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料的重要 特性，是設(shè)計(jì)電磁機(jī)構(gòu)和儀表的重要依據(jù)之一。磁學(xué)量的測(cè)量一般比較困難，通常利用相應(yīng)的物理規(guī)律，將磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為易 于測(cè)量的電學(xué)量。這種轉(zhuǎn)換測(cè)量法是物理實(shí)驗(yàn)中常用的基本測(cè)量方法。測(cè)繪磁化曲線和磁滯回線常用沖擊電流計(jì)法和示波器法，是磁測(cè)量的基本方法。第一種方法準(zhǔn)確度較高，但較復(fù)雜；后一種方法雖準(zhǔn)確度

3、低，但卻具有直觀、方便迅速以 及能在脈沖磁化下測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用示波法。1、磁化曲線如果在由電流產(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)度比沒放入鐵磁物質(zhì)時(shí)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 H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下的關(guān)系：B =呻對(duì)于鐵磁物質(zhì)而言，磁導(dǎo)率并非常數(shù)，而是隨H的變化而變化的物理量， 即亠二f（H），為非線性函數(shù)。所以B與H也是非線性關(guān)系，如圖（1）所示：Bs起始磁化曲線和磴滯回線圖（2）鐵磁材料的磁化過程為：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由小到大變化的磁化場(chǎng)，則鐵磁材料內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H

4、與磁感應(yīng)強(qiáng) 度B也隨之變大。但當(dāng)H增加到一定值（Hs ）后，B幾乎不再隨著H的增加而增加，說明磁化達(dá)到飽和，如圖（1）中的OS段曲線所示。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， 可以看出，鐵磁材料的B和H不是直 線，即鐵磁材料的磁導(dǎo)率亠-B/H不是常數(shù)2、磁滯回線當(dāng)鐵磁材料的磁化達(dá)到飽和之后，如果將磁場(chǎng)減小，則鐵磁材料內(nèi)部的B和 H也隨之減小。但其減小的過程并不是沿著磁化時(shí)的 OS段退回。顯然，當(dāng)磁化 場(chǎng)撤消，H =0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度仍然保持一定數(shù)值 B = Br，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 B減小到0，必須加上一個(gè)反向磁場(chǎng) 并逐步增大。

5、當(dāng)鐵磁材料內(nèi)部反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到H =HC時(shí)（圖2上的C點(diǎn)），磁感應(yīng)強(qiáng)度B才為0,達(dá)到退磁。圖（2）中的be段曲線為退磁曲線，He為矯頑 力。如圖（2）所示，H 按 Or H S r O r - H S r - H C r O H C H S 的順 序變化時(shí)，B相應(yīng)沿O BS Br O - BS - Br O BS的順序變化。 圖中的Oa段曲線稱起始磁化曲線，所形成的封閉曲線 abedefa稱為磁滯回線。 由圖（2）可知：（1）當(dāng)H =0時(shí)，B=0，這說明鐵磁材料還殘留一定值的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br， 通常稱Br為鐵磁物質(zhì)的剩余感應(yīng)強(qiáng)度（剩磁）。（2）若要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，即B=0必須加一個(gè)反向磁

6、場(chǎng)HC。這個(gè)反 向磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc稱為該鐵磁材料的矯頑力。（3）圖中be曲線段稱為退磁曲線。（4）B的變化始終落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。（5）H的上升與下降到同一數(shù)值時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部的 B值并不相同，即磁 化過程與鐵磁材料過去的磁化經(jīng)歷有關(guān)。（6）當(dāng)從初始狀態(tài)H =0, B=0開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)單調(diào)增加過程中，可以得到面積由大到小的一簇磁滯回線，如圖（3） 所示。其中最大面積的磁滯回線稱為極限磁滯回線。（7）由于鐵磁材料磁化過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)，首先須將鐵磁材料預(yù)先退磁，以保證外加磁場(chǎng)H = 0時(shí)，B=0 ；其次，磁

7、化電流在實(shí)驗(yàn)過程中只允許單調(diào)增加或減少， 不能時(shí)增時(shí)減。在理論上, 要消除剩磁Br，只需改變磁化電流方向，使外加磁場(chǎng)正好等于鐵磁材料的矯頑 力即可。實(shí)際上，矯頑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)逐漸減小磁化電流，直至為零。則該材料的磁化過程就是 一連串逐漸縮小而最終趨于原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖（4）所示實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過多次反復(fù)磁化后，B H的量值關(guān)系形成一個(gè)穩(wěn)定的閉合 的“磁滯回線”。通常以這條曲線來表示該材料的磁化性質(zhì)。這種反復(fù)磁化的過 程稱為“磁鍛煉”。本實(shí)驗(yàn)采用50赫茲的交變電流，所以

8、每個(gè)狀態(tài)都是經(jīng)過充分 的“磁鍛煉”，隨時(shí)可以獲得磁滯回線。我們把圖（3）中原點(diǎn)0和各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)aa2,a3a.所連成的曲線， 稱為鐵磁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)（H =0, B = 0）開始，在測(cè)量前必須進(jìn)行退磁，以消除樣品中的剩余磁性。 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)，其中軟磁材料的磁滯回線狹長(zhǎng)、矯頑力、剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、電機(jī)和交流磁鐵 的主要材料。而硬磁材料的磁滯回線較寬，矯頑力大，剩磁強(qiáng)，可用來制造永久 磁體。3、示波器顯示B H曲線的原

9、理和線路示波器測(cè)量B H曲線的實(shí)驗(yàn)線路如圖（5）所示圖（5）本實(shí)驗(yàn)研究的鐵磁物質(zhì)為環(huán)型和 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。Ri為勵(lì)磁電流取樣電阻，設(shè)通過N的交流勵(lì)磁電流為ii，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場(chǎng)強(qiáng)為:圖（6）L為樣品的平均磁路長(zhǎng)度（如圖6）因?yàn)椋篿1二岀，所以:RiNi1 NH -U1L LR1（1）式中的N L、R均為已知常數(shù)，所以由U可確定H在交變磁場(chǎng)下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)值B是測(cè)量繞組n和RC2電路給定的, 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 生電動(dòng)勢(shì)的大小為：LR1(1)d半n _dt1dtn甲 1B2

10、dtS nS(2)S為樣品的截面積 如果忽略自感電動(dòng)勢(shì)和電路損耗，則回路方程為匚2 = i 2 R2 U 2式中i2為感生電流，0為積分電容C2兩端電壓，設(shè)在t時(shí)間內(nèi)，i2向電容C2的 充電電量為Q,貝U2C2所以,如果選取足夠大的R和C使i2R2 C則：-2 = i 2 R2因?yàn)閕 dQ C dU2i2C2dtdt所以H =N1 L-C2R2dU(3)dt由(2)、(3)兩式可得：C2 R2 BU2(4)nS上式中C2、艮、n和S均已知常數(shù)。所以由U2可確定B。綜上所述，將圖(4)中的U ( UH)和U (UB)分別加到示波器的“ X輸入” 和“丫輸入”便可觀察樣品的動(dòng)態(tài)磁滯回；接上數(shù)字電壓

11、表則可以直接測(cè)出U(UH)和U2 (UB)的值，即可繪制出B H曲線，通過計(jì)算可測(cè)定樣品的飽和磁 感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩磁Br、矯頑力He、磁滯損耗(BH )以及磁導(dǎo)率卩等參數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、電路連接：選擇樣品2,按實(shí)驗(yàn)儀上所給的電路接線圖連接好線路。開啟 儀器電源開關(guān)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓 U=0, UH和UB分別接示波器的“ X輸入”和“ 丫輸 入”。2、 樣品退磁：開啟儀器電源開關(guān)，對(duì)樣品進(jìn)行退磁，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)電壓U 的調(diào)節(jié)旋鈕，觀察數(shù)字電壓表可看到U從0逐漸增加增至最大，然后逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)電壓U的調(diào)節(jié)旋鈕，將U逐漸從最大值調(diào)為0,這樣做目的是消除剩磁，確 保樣品處于磁中性狀態(tài)，即B=H =0，如

12、圖(7)所示，圖3、觀察樣品在50H交流信號(hào)下的磁滯回線：開啟示波器電源，斷開時(shí)基掃描, 調(diào)節(jié)示波器上“ X”、“丫”位移旋鈕，使光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓 U 和示波器的X和丫軸靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)大小合適、美觀的磁滯回線圖形(若 圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖(8)所示，這時(shí)可降低U予以消除)。4、測(cè)繪基本磁化曲線，并據(jù)此描繪曲線：接通實(shí)驗(yàn)儀的電源，對(duì)樣品進(jìn)行退磁后，依次測(cè)定 U = 0，0.2，0.4，0.6 .3.0V時(shí)的若干組H和B值， 作B - H曲線和J - H曲線。5、令U= 3.00V，觀測(cè)動(dòng)態(tài)磁滯回線：從已標(biāo)定好的示波器上讀取 U(Uh)、UY(Ub) 值(峰值)

13、，計(jì)算相應(yīng)的H和B，逐點(diǎn)描繪而成。再由磁滯回線測(cè)定樣品2的Bs，Br和H C等參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理（1）作B H基本磁化曲線與J -H曲線選擇不同的U值，分別記錄UX、UY并填入記錄表一。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)儀的輸出 UY = Ub, U = Uh,可先作出UY IX曲線如圖（9）。據(jù)公式：B =埜2（其中 U2 二Ub 二Uy）nSH =學(xué)二黑 6 （其中 UUh =Ux）L LR可分別計(jì)算出B和H，作出B H基本磁化曲線與- H曲線。表一（樣品2）U(V)0-6VX軸格數(shù) 乘靈敏度Ux(V)Y軸格數(shù) 乘靈敏度UY(mV)H (A/m)Bb)卩=B/H（亨利/米）0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0（2）動(dòng)態(tài)磁滯回線的描繪在示波器熒光屏上調(diào)出美觀的磁滯回線， 測(cè)出磁滯回線不同點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的格數(shù), 然后將數(shù)據(jù)填入下表：X（格）-3.6-3.4-3-2.8-2.6-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2丫1（格）丫2格）X（格）-1011.61.822.22.42.633.4Yi（格）丫2（格）從上圖中可知：丫最大值即U2 （峰值），據(jù)此計(jì)算出磁性材料的飽和磁感應(yīng)