實(shí)驗(yàn)二十三示波器法測(cè)定鐵磁材料的磁化曲線和磁滯曲線

1、實(shí)驗(yàn)二十三 示波器法測(cè)定鐵磁材料的磁化曲線和磁滯曲線【目的】1.了解用示波器法顯示磁滯回線的基本原理2.學(xué)會(huì)用示波器法測(cè)繪磁化曲線和磁滯回線【原理】4-48 磁滯回線1.鐵磁材料（如鐵、鎳、鈷和其他鐵磁材料）除了具有高的磁導(dǎo)率外，另一個(gè)重要的特點(diǎn)就是磁滯。磁滯現(xiàn)象是材料磁化時(shí)，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B不僅與當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H有關(guān)，而且與以前的磁化狀態(tài)有關(guān)。圖4-48表示鐵磁質(zhì)的這種性質(zhì)，設(shè)鐵磁質(zhì)在開始時(shí)沒有磁化，如磁場(chǎng)強(qiáng)度H逐漸增加，B將沿oa增加，曲線oa叫做起始磁化曲線，當(dāng)H增加到某一值時(shí)，B幾乎不變。若將磁場(chǎng)強(qiáng)度H減小，則B并不沿原來(lái)的磁化曲線減小，而是沿圖中ab曲線下降，即使H降到零（圖中b

2、點(diǎn)），B的值仍接近于飽和值，與b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的B值，稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B（剩磁）。當(dāng)加反向磁場(chǎng)H時(shí)，B隨著減小，當(dāng)反向磁場(chǎng)H達(dá)到某一值（如圖中c點(diǎn)）時(shí)，B=0，與oc相當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度H稱為矯頑磁力。當(dāng)反向磁場(chǎng)繼續(xù)增加時(shí)，鐵磁質(zhì)中產(chǎn)生反向磁感應(yīng)強(qiáng)度，并很快達(dá)到飽和。逐漸減小反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，減到零，再加正向磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，則磁感應(yīng)強(qiáng)度沿defa變化，形成一閉合曲線abcdefa，稱該閉合曲線為磁滯回線。由于有磁滯現(xiàn)象，能夠有若干個(gè)B值與同一個(gè)H值對(duì)應(yīng)，即B是H的多值函數(shù)，它不僅與H有關(guān)，而且與這鐵磁質(zhì)磁化程度有關(guān)。例如：與H=0相應(yīng)的B有以下3個(gè)值。B0的o點(diǎn)，這與原來(lái)沒有磁化相對(duì)應(yīng)。BB，這是在鐵磁質(zhì)已磁化后

3、發(fā)生的。BB，這是在反向磁化后發(fā)生的。必須指出，當(dāng)鐵磁材料從未被磁化開始，在最初的幾個(gè)反復(fù)磁化的循環(huán)內(nèi)，每一個(gè)循環(huán)H和B不一定沿相同的路徑進(jìn)行（曲線并非閉和曲線）。只有經(jīng)過十幾次反復(fù)磁化（稱為“磁鍛煉”）以后，才能獲得一個(gè)差不多穩(wěn)定的磁滯回線。它代表該材料的磁滯性質(zhì)。所以樣品只有“磁鍛煉”后，才能進(jìn)行測(cè)繪。不同鐵磁材料，其磁滯回線有“胖”、“瘦”之分，通常根據(jù)磁滯回線的不同形狀將磁鐵分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料等幾種。軟磁材料的磁滯回線窄而長(zhǎng)，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B和矯頑力H都很小，其基本特征是磁導(dǎo)率高，易于磁化及退磁。軟鐵、硅鋼等屬于這一類，它們常用來(lái)制造變壓器及電機(jī)的轉(zhuǎn)子。當(dāng)鐵磁質(zhì)反復(fù)被磁化

4、時(shí)，介質(zhì)要發(fā)熱。實(shí)驗(yàn)表明，反復(fù)磁化所產(chǎn)生的熱與磁滯回線包圍的面積成正比，變壓器選用軟磁材料就是考慮了這一點(diǎn)。硬磁材料的磁滯回線較寬，B和H都較大，因此，其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B可保持較長(zhǎng)時(shí)間。鉻、鈷、鎳等元素的合金屬屬于硬磁材料。它常用于制造永久磁鐵。矩磁材料的磁滯回線接近矩形，其特點(diǎn)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B接近飽和時(shí)的B，矯頑磁力小。若使矩磁材料在不同方向的磁場(chǎng)下磁化，當(dāng)磁化電流為零時(shí)，他仍能保B和B2種不同的剩磁，矩磁材料常用作記憶元件，如電子計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的磁芯。軟磁材料和硬磁材料的根本區(qū)別在于矯頑磁力H的差別。對(duì)于高磁導(dǎo)率的軟磁材料，H很小，只有110 A/m；對(duì)高矯頑磁力硬磁材料，H在105 A

5、/m以上；矩磁材料的矯頑磁力H一般在102 A/m以下。圖4-49 退磁示意圖可見，鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線是該材料的重要特性，也是設(shè)計(jì)電磁機(jī)構(gòu)和儀表的重要依據(jù)之一。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)，首先必須對(duì)鐵磁材料預(yù)先進(jìn)行退磁，以保證外加磁場(chǎng)H0時(shí)，B0；其次，磁化電流在實(shí)驗(yàn)過程中只允許單調(diào)增加或減小，不可時(shí)增時(shí)減。退磁方法，從理論上分析，要消除剩磁B，只要通一反向電流，使外加磁場(chǎng)正好等于鐵磁材料的矯頑磁力就行了，實(shí)際上，矯頑磁力的大小通常并不知道，因此無(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)到飽和，然后不斷改變磁化

6、電流的方向，與此同時(shí)逐漸減小磁化電流，以至于零。那么該材料磁化過程是一連串逐漸縮小而最終趨向原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖4-49所示，當(dāng)H減小到零時(shí)，B亦同時(shí)降到零，達(dá)到完全退磁?？偨Y(jié)以上情況，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般要先退磁，再進(jìn)行“磁鍛煉”，然后進(jìn)行正式測(cè)量。圖4-50測(cè)定裝置圖示波器法正廣泛用在交變磁場(chǎng)下觀察、拍攝和定量測(cè)繪鐵磁材料的磁滯回線。但是怎樣才能使在示波器的熒光屏上顯示出磁滯回線（即B-H曲線）呢？顯然，我們希望在示波器的X偏轉(zhuǎn)板輸入正比于樣品的勵(lì)磁場(chǎng)H的電壓，同時(shí)又在Y偏轉(zhuǎn)板輸入正比于樣品中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的電壓，結(jié)果在屏幕上得到樣品的B-H回線。用待測(cè)鐵磁材料制成的圓環(huán)，再在外面緊密繞上原線

7、圈（勵(lì)磁線圈）N和副線圈（測(cè)量線圈）N，參見圖4-50。當(dāng)原線圈N中通過磁化電流I時(shí)，此電流在圓環(huán)內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)。根據(jù)安培環(huán)路定律HL NI，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小為 （4-36）其中 N為原線圈的匝數(shù)，L為圓環(huán)的平均周長(zhǎng)。如果將電阻R上的電壓U= IR(注意：I和U是交變的)，取出來(lái)加在示波器X偏轉(zhuǎn)板上，則電子束在水平方向上的偏移跟磁化電流I成正比，按照式（4-36）有所以 （4-37）它表明，在交變磁場(chǎng)下，在任一瞬時(shí)t，如果將電壓U接到示波器X軸輸出端，則電子束在水平的偏轉(zhuǎn)正比于勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度H。為了獲得跟樣品中磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)值B成正比的電壓Uy ,采用電阻R和電容C組成的積分電路，并將電容C兩端的電壓U

8、接到示波器Y軸的輸出端。因交變的磁場(chǎng)H在樣品中產(chǎn)生交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，結(jié)果在副線圈N內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小為NS （4-38）式中N為副線圈匝數(shù)，S為待測(cè)鐵磁質(zhì)圓環(huán)的截面積。忽略自感電動(dòng)勢(shì)后，對(duì)于副線圈回路有UIR （4-39）為了如實(shí)地繪出磁滯回線，要求：積分電路的時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)比1/（2f）（其中f為交流電頻率）大100倍以上，即要求R比1/（2f C）（電容C的阻抗）大100倍以上，這樣U與IR相比可忽略（由此帶來(lái)的誤差小于1），于是（4-39）式簡(jiǎn)化為IR （4-40）但R比1/（2f C）不能過大，過大了使U值過小，顯然也就困難了。在滿足上述條件下，U的振幅很小，如將它直接加在Y偏

9、轉(zhuǎn)板上，則不能繪出大小合適需要的磁滯回線，為此，須將U經(jīng)過Y軸放大器增幅后輸至Y偏轉(zhuǎn)板。這就要求在實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)的頻率范圍內(nèi)，示波器的放大器的放大系數(shù)必須穩(wěn)定，不然會(huì)帶來(lái)放大的相位畸變和頻率畸變，而出現(xiàn)磁滯回線“打結(jié)”現(xiàn)象，而無(wú)法進(jìn)行定量測(cè)量。此時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)R阻值有可能得到最佳磁滯回線圖形。利用（4-40）式的結(jié)果，電容C兩端的電壓表示為 U （4-41）這表明輸出電壓是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)時(shí)間的積分，這也是“積分電路”名稱的由來(lái)。將（4-41）式代入上式得到U （4-42）（4-42）式表明，接在示波器Y軸輸出端的電容C上的電壓U（即Uy）值正比與B。 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

10、完整的磁滯回線，以后每個(gè)周期重復(fù)此過程。我們可逐漸調(diào)節(jié)輸入交流電壓，使磁滯回線由小到大擴(kuò)展，把逐次在坐標(biāo)紙上記錄的磁滯回線頂點(diǎn)的位置聯(lián)成一條曲線。這條曲線就是樣品的基本磁化曲線。測(cè)定磁滯回線上任一點(diǎn)的B、H值的時(shí)候，在保持測(cè)繪BH曲線時(shí)示波器的水平增益和垂直增益不改變的前提下，把磁性材料測(cè)定儀上的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形電壓源先后加到示波器的X、Y軸的輸出端，用面板上的高內(nèi)阻毫伏表測(cè)量電壓的有效值U、Uy，電壓的振幅為再用透明小米尺分別測(cè)量出熒光屏上水平線段和垂直線段的長(zhǎng)度，設(shè)為n（cm）、ny（cm），于是得到此時(shí)示波器X軸和Y軸輸入的偏轉(zhuǎn)因數(shù)D和Dy（即電子束偏轉(zhuǎn)一厘米所需外加的電壓）為為了得到磁滯回

11、線上所求點(diǎn)的B、H值，需要測(cè)出該點(diǎn)在屏上坐標(biāo)x（cm）、y（cm），從而計(jì)算出加在示波器偏轉(zhuǎn)板上電壓：UDX和UyDyY，然后再按（4-37）和（4-42）式計(jì)算：H （4-43）B （4-44）式中各量的單位：R、R為歐姆（）；L為米（m）；S為平方（m）；C為 法（F）；D、Dy為伏/厘米(V/cm)；X、Y為厘米(cm)；H為安/米（A/m）；B為特（T）?！緝x器】磁滯回線測(cè)試儀1臺(tái)，高內(nèi)阻交流毫伏表，鐵磁材料測(cè)試板；SB-10示波器1臺(tái)；測(cè)試樣品2片；透明米尺1根?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：測(cè)繪硅鋼片鐵磁材料的基本磁化曲線；測(cè)繪硅剛片鐵磁材料的磁滯回線。具體操作步驟如下。圖4-5

12、1 儀器連接圖1.調(diào)整儀器按圖4-51連接線路，先調(diào)電壓調(diào)節(jié)旋鈕為零，再調(diào)節(jié)示波器，使電子束光點(diǎn)呈現(xiàn)在熒光屏坐標(biāo)網(wǎng)格中心。把電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到零，然后逐漸調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕使電壓逐漸升高（由測(cè)定面板上表頭指示可觀察到），屏上將出現(xiàn)磁滯回線的圖像（如磁滯回線在二、四象限時(shí)，可將X（或Y）軸輸入端的兩根導(dǎo)線互換位置）調(diào)節(jié)示波器垂直增益，使圖形大小適當(dāng)。待磁滯回線接近飽和后，逐漸減小輸出電壓至零，目的是對(duì)樣品進(jìn)行退磁。從零開始，逐漸升高輸出電壓（分2、4、6、8、10、12、14 V）8擋進(jìn)行，使磁滯回線由小變大，分別記錄每條磁滯回線頂點(diǎn)坐標(biāo)，描在坐標(biāo)紙上，并將所描各點(diǎn)連成曲線，就可得出基本磁化曲線調(diào)節(jié)輸出電壓到某值，然后，調(diào)節(jié)示波器垂直增益和水平增益，使磁滯回線大小適當(dāng)。在方格紙上按11（或12）的比例描繪屏上顯示的磁滯回線，記下有代表性的某些點(diǎn)，如圖4-48中的a、b、c、d、e、f點(diǎn)的坐標(biāo)X、Y 。測(cè)L、S值，記下R、R、C、N、N值。測(cè)定示波器的偏轉(zhuǎn)因數(shù)D、D，按（4-43）式和（4-44）式算出跟X 、Y點(diǎn)對(duì)應(yīng)的H、B值，標(biāo)在坐標(biāo)紙上并描繪