用示波器觀察鐵磁材料的動態(tài)磁滯回線-試驗報告

1、用示波器觀察鐵磁材料的動態(tài) 磁滯回線-實驗報告用示波器觀察鐵磁材料動態(tài)磁滯回線【摘要】鐵磁材料按特性分硬磁和軟磁兩大類，鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線，反映該 材料的重要特性。軟磁材料的矯頑力 H小于100A/m,常用做電機、電力變壓器的鐵芯和電子儀器中各種頻率小型變壓器的鐵芯。磁滯回線是反映鐵磁材料磁性的重要特征曲線。矯 頑力和飽和磁感應強度 R、剩磁B P等參數(shù)均可以從磁滯回線上獲得.這些參數(shù)是鐵磁材料 研制、生產(chǎn)、應用是的重要依據(jù)?！娟P鍵詞】磁滯回線 示波器 電容 電阻Bm Hm Br H【引言】鐵磁物質(zhì)的磁滯回線能夠反映該物質(zhì)的很多重要性質(zhì)。本實驗主要運用示波器的X圖1起始磁化曲線和磁滯

2、回線輸入端和Y輸入端在屏幕上顯示的圖形以及相關 數(shù)據(jù)，來分析形象磁滯回線的一些因素，并根據(jù) 數(shù)據(jù)的處理得出動態(tài)磁滯回線的大致圖線?！緦嶒災康摹? .認識鐵磁物質(zhì)的磁化規(guī)律，比較兩種典 型的鐵磁物質(zhì)的動態(tài)磁化特性。2. 測定樣品的H> B、Bs和（修B）等參數(shù)。3. 測繪樣品的磁滯回線，估算其磁滯損耗。【實驗儀器】電阻箱（兩個），電容（3-5微法），數(shù)字萬用 表，示波器，交流電源，互感器?！緦嶒炘怼胯F磁物質(zhì)是一種性能特異，用途廣泛的材 料。鐵、鉆、鍥及其眾多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特征是在外磁場作用下能被強烈磁化，故磁導率以很高。另一特征是磁滯，即磁化場作用停止后，

3、鐵磁質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)，圖 1為鐵磁物質(zhì)的磁感應 強度B與磁化場強度H之間的關系曲線。圖中的原點O表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)， 即B= H= O,當磁場H從零開始 增加時，磁感應強度B隨之緩慢上升，如線段oa所示，繼之B隨H迅速增長，如ab所示, 其后B的增長又趨緩慢，并當H增至HS時，B到達飽和值Bs, oabs稱為起始磁化曲線。圖 1表明，當磁場從H逐漸減小至零，磁感應強度 B并不沿起始磁化曲線恢復到“ O'點，而 是沿另一條新的曲線SR下降，比較線段OS和SR可知，H減小B相應也減小，但B的變化 滯后于H的變化，這現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征是當 H= O時，B不為零，而保

4、留剩磁 Br。當磁場反向從O逐漸變至一代時，磁感應強度B消失，說明要消除剩磁，必須施加反 向磁場，代稱為矯頑力，它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段RD稱為退磁曲圖1還表明，當磁場按 H- A Hf-Hs2 廿一噸次序變化，相應的磁感應強度 B則沿閉合曲線SRDS RDS變化，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當鐵磁材料處于交變磁場 中時（如變壓器中的鐵心）,將沿磁滯回線反復被磁化一去磁一反向磁化一反向去磁。在此 過程中要消耗額外的能量，并以熱的形式從鐵磁材料中釋放，這種損耗稱為磁滯損耗，可 以證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。Ab圖2同一鐵圖1鐵磁圖3鐵磁材料應該說明，當初始態(tài)為生

5、交變磁場強度由弱到強依次進行磁化,H= B= O可以得到面積由小到大向外擴張的一簇磁滯回線，如圖稱為鐵磁材料的基本磁化曲線，由此可近似確定其磁導率2所示，這些磁滯回線頂點的連線且，因B與H非線性，故H鐵磁材料的N不是常數(shù)而是隨 H而變化(如圖3所小)鐵磁材料的相對磁導率可高達數(shù)千乃至數(shù)萬，這一特點是它用途廣泛 的主要原因之一。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4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、矯頑力、剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、 電機、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，可用來制造永磁體。觀察和測量磁滯

6、回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。 待測樣品為EI型矽鋼片，N為勵磁繞組，n為用來測量磁感應強度B而設置的繞組。Ri為勵磁電流取樣電阻，設通過 N的交流勵磁電流為i ,根據(jù)安培環(huán) 路定律，樣品的磁化場強必 L 為樣品的平均磁路LUiRiLRi(D(1)式中的N、L、均為已知常數(shù)，所以由Uh可確定K在交變磁場下，樣品的磁感應強度瞬時值 B是測量繞組n和R 2c電路給定的，根據(jù)法拉第電磁感應定律，由于樣品中的磁通小的變化，在測量線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小d2 n -dt12dt(2)S為樣品的截面積。如果忽略自感電動勢和電路損耗，則回路方程為式中i2為感生電流,LB為積分電容C兩端電壓，設在A

7、 t時間內(nèi)，i 2向電容C2的充電電量為Q,則UbQ發(fā) i2R2C如果選取足夠大的使 i 2R>> Q/C,則£2dQ dtC2R2dUBC2 dtdUBdt由(2)、(3)兩式可得(4)B "b上式中C、R、n和S均為已知常數(shù)。所以由IB可確定B)綜上所述，將圖5中的5和UB分別加到示波器的“ X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品剩磁的B H曲線；如將UH和UB加到測試儀的信號輸入端可測定樣品的飽和磁感應強度BsR、矯頑力HD、磁滯損耗WBH以及磁導率卜等參數(shù)。【實驗內(nèi)容與步驟】一根據(jù)線圈阻值估計線圈匝數(shù)12示數(shù).34按照圖示連接電路；移動滑動變阻器，使電流表和電

8、壓表的示數(shù)超過分別測左線圈和右線圈的阻值；測量線圈直徑，計算線圈的橫截面積.不同電壓下磁滯回線數(shù)據(jù)的測量1.電路連接：按電路圖連接線路，并令2/3表盤，然后記錄電壓表電流表的R=2.5 Qo IH和UB分別接示波器的“X輸入”和“ Y輸入”。2.樣品退磁：開啟實驗儀電源，對試樣進行退磁,即順時針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕,令U從0增至10V,然后逆時針方向轉(zhuǎn)動旋鈕，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)，如圖 6所示。圖6退磁示意圖3 .觀察磁滯回線：開啟示波器電源，調(diào)至X-Y方式，且X輸入端和Y輸入端都為“DC。 令光點位于坐標網(wǎng)格中心，令U= 6.0V,并分別調(diào)節(jié)示波

9、器x和y軸的靈敏度，使顯示屏上 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 7所示，這時可降低 勵磁電壓U予以消除)。4 .觀察基本磁化曲線，按步驟2對樣品進行退磁，從U= 0開始，逐檔提高勵磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大一個套一個的一簇磁滯回線。這些磁滯回線頂點的連線就是樣品的基本磁化曲線，借助長余輝示波器，便可觀察到該曲線的軌跡。5 .測繪以一H曲線：仔細閱讀測試儀的使用說明，接通實驗儀和測試儀之間的連線。開啟電源，對樣品進行退磁后，依次測定U= 0.5 , 1.03.0V時的十組 修和日值，作以H曲線。7.令 U=11.0V, R = 2.5。測定樣品 1 的 B

10、bR'HdWBh,等參數(shù)。8.取步驟7中的H和其相應的B值，用坐標紙繪制B- H曲線(如何取數(shù)？取多少組 數(shù)據(jù)？自行考慮)，并估算曲線所圍面積?！緮?shù)據(jù)記錄及處理一根據(jù)線圈阻值估計線圈匝數(shù)。已知0.5mm直徑的漆包線每米長度對應 1.678歐姆J參數(shù)/_U (v)I (mAL=R/1.678(m)匝數(shù)左線崖0.37943.405.20180匝右線崖10.25846.253.3365匝二 不同電壓下磁滯回線數(shù)據(jù)的測量勵磁繞組Ni(砸)：180測量繞組。(砸)：65平均磁路L(mm): 50電容 C(nF)： 4.3.電阻 R(Q)：2.5 電阻 R(kQ)：6Q 截面 S(mrf) ： 2

11、00U (V)2hm (mV2bm(mV)hm(mV)bm(mV)U1(mV )I1(mA )4.0302.0298.0302.5104.5104.0102.0300.83103.5095.0138.005.0369.0371.5370.0132.5134.2134.0370.17133.57115.046.006.0441.0 1442.5442.01163.0 1168.0166.0441.83165.67 1137.0P 54.807.0524.0521.0522.0193.0192.0192.0522.33192.33162.064.808.0592.0595.0592.0212.52

12、14.0212.0593.0212.83183.673.449.0670.01672.0672.0237.0234.5232.5671.33234.33:208.1F 83.2410.0758.0752.0760.0253.5257.0257.0756.67255.83235.594.20：11.0826.01821.0820.0P 263.0264.5266.0822.33264.501256.5P 102.6利用上表，根據(jù)hm與bm等數(shù)據(jù)求出Hmi與Bmi,如下:Hmi=N1hmi/LR1 Bmi=R2C 2bmi/N 2s 其中:N1=180 , N2=65 , L=50mmU (V)h

13、m(mV)bm(mV)Hm (A/m)Bm (T)4.0300.83103.50433.200.205/5.0370.17133.57533.040.265,16.0441.83165.67636.240.328f37.0522.33192.33752.160.38118.0593.0212.83853.920.422/9.0671.33234.33966.720.465,110.0756.67255.831089.600.507；111.0822.33264.501184.160.524、J當路端電壓為11.0V時，磁滯回線包圍的面積不再增大，達到飽和磁滯回線.如下圖，止匕時:參數(shù)一一hm(

14、mV)bm(mV)hc(mV)br(mV)Hm(A/m)Bm(T)Hc(A/m)Bc(T)數(shù)據(jù)822.33 n264.50495.0214.011184.160.5249712.80.4247【誤差分析及改進】實驗中誤差的來源主要是一：線圈本身有內(nèi)阻，使得數(shù)據(jù)處理過程中對r1的處理偏小, 使最終計算出的Hm偏大；二 對線圈匝數(shù)和線圈橫截面積的估算，由于實驗儀器參數(shù)的缺 失，利用估算出的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理會有一定的偏差。改進方法：可以利用低電阻測量阻值的方法，利用開爾文電橋法通直流電源然后測量線 圈的確切阻值，從而利用線圈估算線圈匝數(shù)的時候也可以精確一些?！緦嶒炦^程中現(xiàn)象的討論及應注意的問題】在實驗過程中注意到：0隨著電源頻率的增加，磁滯回線逐漸變化，最終當電源頻率超過1kz時，磁滯回線會變成橢圓，這表明鐵磁介質(zhì)的磁化特性隨著磁化