實(shí)驗19鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線

1、實(shí)驗19 鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線鐵磁物質(zhì)（鐵、鈷、鋼、鎳、鐵鎳合金等）的磁性有兩個特點(diǎn)：其一是在外磁場作用下能被強(qiáng)烈磁化，故磁導(dǎo)率很高，而且磁導(dǎo)率隨磁化場強(qiáng)度變化；另一特征是磁滯，即磁化場作用停止后，鐵磁質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)。因而它的磁化規(guī)律很復(fù)雜。要具體了解某種鐵磁材料的磁性，就必須測出它的磁化曲線和磁滯回線。實(shí)驗?zāi)康暮蛯W(xué)習(xí)要求 1. 認(rèn)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. 測定樣品的基本磁化曲線，作H曲線； 3. 測定樣品的HC、Br、Bm和（Hm·Bm）等參數(shù)； 4. 測繪樣品的磁滯回線，估算其磁滯損耗。實(shí)驗原理1起始磁化曲線、基本磁化曲線和

2、磁滯回線圖19-1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。圖中的原點(diǎn)O表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即BHO。當(dāng)磁場H從零開始增加時，磁感應(yīng)強(qiáng)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(dāng)H增至HS時，B到達(dá)飽和值BS，oabs稱為起始磁化曲線。圖19-1表明，當(dāng)磁場從HS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，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，這現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征是當(dāng)HO時，B不為零，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場反向從O逐漸變至HD時，磁

3、感應(yīng)強(qiáng)度B消失，說明要消除剩磁，必須施加反向磁場，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，線段RD稱為退磁曲線。圖19-1還表明，當(dāng)磁場按HSOHD-HSOHD´HS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B則沿閉合曲線變化，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)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(fù)被磁化去磁反向磁化反向去磁。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。圖19-2 同一鐵磁材料的一簇磁滯回線圖19-1 鐵磁質(zhì)起始磁化曲線和磁滯回線應(yīng)該說明，當(dāng)初始態(tài)為HBO的鐵磁材料，

4、在交變磁場強(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，要注意的是：反復(fù)磁化（HS-HSHS）的開始幾個循環(huán)內(nèi)，每一個循環(huán)B和H不一定沿相同的路徑進(jìn)行，只有經(jīng)過十幾次反復(fù)磁化（稱為“磁鍛煉”）以后，每次循環(huán)的回路才相同，形成一個穩(wěn)定的磁滯回線。只有經(jīng)“磁鍛煉”后所形成的磁滯回線，才能代表該材料的磁滯性質(zhì)。圖19- 3 鐵磁材料µ與H關(guān)系曲線 圖 19-4 不同鐵磁材料的磁滯回線由于鐵磁材料磁化過程的不可逆性具有剩磁的特點(diǎn)，在測定磁化曲線和磁滯回線時，首先必須將鐵磁材料預(yù)先退磁，以保證外加磁場H0時，BO；其次，磁化電流在實(shí)驗過程中只允許單調(diào)增加或減小，不可時增

5、時減。如圖19-2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，由此可近似確定其磁導(dǎo)率，因B與H非線性，故鐵磁材料的不是常數(shù)而是隨H而變化（如圖19-3所示）。鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬，這一特點(diǎn)使它用途廣泛。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19-4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(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)，可用來制造永磁體。2測量磁滯回線和基本磁化曲線觀察和測量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖19-5所示。圖19-5 實(shí)驗線路待測樣品

6、為EI型矽鋼片，N為勵磁繞組，n為用來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B而設(shè)置的繞組。R1為勵磁電流取樣電阻，設(shè)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(qiáng) L為樣品的平均磁路 （19-1）（19-1） 式中的N、L、均為已知常數(shù)，所以由可確定H。(19-2) 在交變磁場下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時值B是測量繞組n和電路給定的，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通的變化，在測量線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為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 式中為感生電流，U2為積分電容C2兩端電壓。設(shè)在t時間內(nèi)，i2向電容的充電電量為Q，則 如果選取足夠大的R2和C2，使>>

7、;，則 (19-3)由（19-2）、（19-3）兩式可得 （19-4）上式中C2、R2、n和S均為已知常數(shù)。所以由U2可確定B0 綜上所述，將圖19-5中的U1和U2分別加到示波器的“X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品的BH曲線；如將U1和U2加到測試儀的信號輸入端可測定樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS、剩磁Rr、矯頑力HD、磁滯損耗BH以及磁導(dǎo)率µ等參數(shù)。儀器介紹THMHC型智能磁滯回線測試儀分為實(shí)驗儀和測試儀兩大部分1實(shí)驗儀配合示波器，即可觀察鐵磁性材料的基本磁化曲線和磁滯回線。它由勵磁電源、試樣、電路板以及實(shí)驗接線圖等部分組成。實(shí)驗接線示意圖如圖19-6所示圖19- 6實(shí)驗接線示意圖 圖

8、19-7測試儀面板2測試儀圖19-8所示為測試儀原理框圖，測試儀與實(shí)驗儀配合使用，能定量、快速測定鐵磁性材料在反復(fù)磁化過程中的H和B之值，并能給出其剩磁、矯頑力、磁滯損耗等多種參數(shù)。測試儀面板如圖19-7所示。測試儀的使用說明：（1）顯示磁滯回線采樣點(diǎn)H與B的值測試儀上的按鍵可實(shí)現(xiàn)不同功能，每按一次功能鍵可顯示各種事先設(shè)定參數(shù)，連續(xù)按功能鍵當(dāng)顯示“H.b.test”時，按確認(rèn)鍵后，儀器將顯示“”，稍后顯示“H.b.Good”，表明采樣成功，即可進(jìn)入下一步操作。如顯示“BAD”表明系統(tǒng)有誤，應(yīng)查明原因并修復(fù)后，按“功能”鍵，程序?qū)⒎祷氐綌?shù)據(jù)采樣狀態(tài)，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。連續(xù)按兩次功能鍵，將顯示：“

9、H.SHOW B.SHOW” 每按二次確認(rèn)鍵，將顯示曲線上一點(diǎn)的H與B的值（第一次顯示采樣點(diǎn)的序號，第二次顯示出該點(diǎn)H和B之值）。（2）顯示磁滯回線的矯頑力HC和剩磁Br、Hm與Bm、H與B的相位差，先按功能鍵，再按確認(rèn)鍵，再由（4）確定H與B值的倍數(shù)代號，即可得到以上各量。（3）如按數(shù)位和數(shù)據(jù)鍵即可達(dá)到改變儀器事先設(shè)定的各種參數(shù)的功能。（4）當(dāng)連續(xù)按三次功能鍵即顯示H與B值的倍數(shù)代號。參照下面給出值。顯示點(diǎn)的順序，是依磁滯回線的第4、1、2和3象限的順序進(jìn)行，否則，說明數(shù)據(jù)出錯或采樣出錯。注意事項 1、如按儀器事先設(shè)定值輸入N、L、n、S、R1、R2、C2、H與B的倍數(shù)代號等參數(shù)，則不必按確

10、認(rèn)鍵；如要改寫上述參數(shù)，則改寫后，務(wù)必按確認(rèn)鍵，才能將數(shù)據(jù)輸入。 2、按常規(guī)操作至（顯示H與B的相位差）后，磁滯回線采樣數(shù)據(jù)將自動消失，必須重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。3、測試過程中如顯示器顯示“COU”字符，表示應(yīng)繼續(xù)按動功能鍵。實(shí)驗內(nèi)容1電路連接：選樣品1按實(shí)驗儀上所給的電路圖連接線路，并令R12.5，“U選擇”置于O位。UH和U2（即U1和U2）分別接示波器的“X輸入”和“Y輸入”，插孔為公共端。2 樣品退磁：開啟實(shí)驗儀電源，對試樣進(jìn)行退磁，即順時針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕，令U從0增至3V，然后逆時針方向轉(zhuǎn)動旋鈕，將U從最大值降為O，其目的是消除剩磁，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即BH0，如圖19-6

11、所示。圖19-8 退磁示意圖圖19-9 U2和B的相位差等 因素引起的畸變3 觀察磁滯回線：開啟示波器電源，令光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令U2.2V，并分別調(diào)節(jié)示波器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19-8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(jìn)行退磁，從U0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(diǎn)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 觀察、比較樣品1和樣品2的磁化性能。6 測繪H曲線：仔細(xì)閱讀測試儀的使用說明，接通實(shí)驗儀和測試儀之間的連線。開啟電源，對樣品進(jìn)行退磁后，依次測定U0.5，1.03.0V時的10組Hm和Bm值，作H曲線。7 令U3.0V，R12.5測定樣品1的和BH等參數(shù)。8. 取步驟7中的H和其相應(yīng)的B值，用坐標(biāo)紙繪制BH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。數(shù)據(jù)處理表1 基本磁化曲線與µH曲線 U（V）Hm×104安/米Bm×102特斯拉µBm/Hm享利/米0.51.01.21.51.82.02.22.52.83.0 表2.B-H曲線 HD= Br= Bm= BH=NOH×104A/mB×102