用示波器觀察鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線

1、實(shí)驗(yàn)23用示波器觀察鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線磁性材料應(yīng)用十分廣泛，從永久磁鐵、變壓器鐵芯到錄音、錄像、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)用的磁帶、 磁盤等材料都采用磁性材料。根本磁化曲線和磁滯回線反映了磁性材料的主要特征。通過實(shí) 驗(yàn)研究這些性質(zhì)不僅可以掌握用示波器觀察、測量磁化曲線和磁滯回線的根本方法，而且還 可以從理論和實(shí)際應(yīng)用上加深對磁性材料磁特性的認(rèn)識(shí)。鐵、鈷、鎳及其眾多合金，以及含鐵的氧化物鐵氧體均屬鐵磁材料。鐵磁材料分為 硬磁和軟磁兩大類，其根本區(qū)別在于剩磁Br和矯頑力He的大小不同。硬磁材料的磁滯回線寬，剩磁、矯頑力大達(dá) 12020000A/m以上，因而磁化后，其磁感應(yīng)強(qiáng)度可長久保存，適 宜做永久磁鐵

2、。軟磁材料的磁滯回線窄，矯頑力He一般小于120A/m，但磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，容易磁化和去磁，因而廣泛用于電機(jī)、電器和儀表制造等工業(yè)部門。鐵磁材料的 磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料的重要特性，也是設(shè)計(jì)電磁機(jī)構(gòu)和儀表的重要依據(jù)之一。本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)法測量磁滯回線。需要說明的是，用動(dòng)態(tài)法測量的磁滯回線與靜態(tài)磁滯 回線是不同的，動(dòng)態(tài)測量時(shí)除了磁滯損耗還有渦流損耗，因此動(dòng)態(tài)磁滯回線的面積要比靜態(tài) 磁滯回線的面積大一些。 另外渦流損耗還與交變磁場的頻率有關(guān)，所以測量的電源頻率不同，得到的BH曲線是不同的，這可以在實(shí)驗(yàn)中清楚地從示波器上觀察到?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、掌握磁滯、磁滯回線和磁化曲線的概念，加深對鐵

3、磁材料的主要物理量一一矯頑力，剩磁和磁導(dǎo)率的理解；2、學(xué)會(huì)用示波法測繪根本磁化曲線和磁滯回線?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、磁化曲線。如果在由電流產(chǎn)生的磁場中放入鐵磁物質(zhì)，那么磁場將明顯增強(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，甚至千倍以上。鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的磁場強(qiáng)度 H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下的關(guān)系：B圖232起始磁化曲線與磁滯回線圖231 磁化曲線和H曲線對于鐵磁物質(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，即尸f(H),為非線性函數(shù)。所以 B與H也是非線性關(guān)系，如圖 231所示。鐵磁材料的磁化過程為：從未被磁化的狀態(tài)(又稱“去磁狀態(tài))開始，在鐵磁材料上外加一個(gè)由小到大

4、的磁化場，那么鐵磁材料內(nèi)部的磁場強(qiáng)度 H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B也隨之變大，其B H變化曲線如圖23 1所示。但當(dāng)H增大到一定值(Hs)后，B幾乎不再隨H的增加而 增加，說明磁化已達(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23 1中的Os段曲線所示。2、磁滯回線。當(dāng)鐵磁材料的磁化到達(dá)飽和之后， 如果將外磁化場減小， 那么鐵磁材料內(nèi)部的 B和H也隨 之減小，但其減小的過程并不是沿著 Os段退回。顯然，當(dāng)磁化場撤銷， H=0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng) 度B仍然保持一定的數(shù)值 B=Br，稱為“剩磁(剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度)。假設(shè)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)反方向磁場并逐步增大

5、。當(dāng)鐵磁材料內(nèi)部反向磁場強(qiáng)度增加到H=Hc時(shí)(圖23 2上的c點(diǎn))，磁感應(yīng)強(qiáng)度B才為0，到達(dá)退磁。圖232中的bc段為退磁曲線，Hc為矯頑力。如圖232所示，當(dāng)H按照0 tHst0宀Hc Hst0tHdHs的順序變化時(shí)， B沿相應(yīng)的磁化曲線 0宀Bsf Bri0宀一 Bs t Brt0tBs的順序變化，所形成的封閉曲線sbcdefs稱為“磁滯回線。由圖232可知：(1 )當(dāng)H=0時(shí)，BM 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“剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(剩磁)。(2) 假設(shè)要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，即B=0,必須加一個(gè)反方向磁場He，這個(gè)反向磁場強(qiáng)度Hc稱為該鐵磁材料的“矯頑

6、力。(3) 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。(4) H上升或下降到同一數(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)。(5) 當(dāng)從初始狀態(tài)H=0, B=0開始周期性地改變磁場強(qiáng)度的幅值時(shí)， 在磁場由弱到強(qiáng)單調(diào) 增加的過程中，可以得到面積由小到大的一簇磁滯回線，如圖233所示。其中最大面積的 磁滯回線稱為“極限磁滯回線。(6) 由于鐵磁材料磁化過程的不可逆性以及具有剩磁的特點(diǎn)，在測定磁化曲線和磁滯回線時(shí)，必須首先將鐵磁材料進(jìn)行退磁，以保證外加磁場時(shí)H=0, B=0;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，不能時(shí)增時(shí)減。在理論上，要消

7、除剩磁Br,只需通一反向磁化電流，使外加磁場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，因此無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到達(dá)飽和， 然后逐漸減小磁化電流，同時(shí)不斷改變磁化電流的方向，最終使磁化電流為0，那么該材料的磁化過程就是一連串逐漸減小并最終趨于原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖23 4。當(dāng)H減小到0時(shí)，B也同時(shí)為0,到達(dá)完全退磁。實(shí)驗(yàn)說明，經(jīng)過屢次反復(fù)磁化后，B H的量值關(guān)系形成一個(gè)穩(wěn)定、 閉合的“磁滯回線， 通常用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)使用交變電流，所以每個(gè)狀態(tài)都是經(jīng)過充分的“磁鍛煉，隨時(shí)可以獲

8、得磁滯回線。我們把圖23 3中原點(diǎn)O和各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn) si, S2, S3所連成的曲線，稱為“鐵磁材料的根本磁化曲線。不同的鐵磁材料其根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)，也就是指所測得的根本磁化曲線都是由原始狀態(tài)H=0, B=0開始，在測量前必須進(jìn)行退磁，以消除樣品中的剩余磁性。在測量根本磁化曲線時(shí)，每個(gè)磁化狀態(tài)都要經(jīng)過充分的“磁鍛煉，否那么得到的B H曲線即為前面介紹的起始磁化曲線，兩者不可混淆。3、示波器顯示B H曲線的原理和線路。示波器測量B H曲線的實(shí)驗(yàn)原理和線路如圖23 5所示。圖235 示波器測量B H曲線的原理圖本實(shí)驗(yàn)研究的鐵磁物質(zhì)試樣如圖 235所示。

9、在式樣上繞有勵(lì)磁線圈 N匝和測量線圈n 匝。假設(shè)在線圈N中通過磁化電流Ii時(shí)，此電流在試樣內(nèi)產(chǎn)生磁場。 根據(jù)安培環(huán)路定律 HL=NIi, 磁場強(qiáng)度H的大小為：(1)NI,L(2)其中，L為環(huán)狀試樣的平均磁路長度在 23 5中用虛線表示。由圖255可知示波器x 軸偏轉(zhuǎn)板輸入電壓為：U x11 Ri由1式和2式可得:LRih上式說明在交變磁場下，任一時(shí)刻電子束在 為了測量磁感應(yīng)強(qiáng)度 B,在次級(jí)線圈 分回路。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變的電流Nx軸的偏轉(zhuǎn)正比于磁場強(qiáng)度H。n上串聯(lián)一個(gè)電阻R2和電容C,艮、C構(gòu)成一個(gè)積I1在試樣中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 £,或交變的磁感應(yīng) 強(qiáng)度B, £與B的關(guān)

10、系為:ddBn nS(4)dtdt式中S為磁性材料試樣的截面積。根據(jù)電磁學(xué)理論，次級(jí)回路中的電流為(5)R；式中，3為電源的角頻率，&為次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。假設(shè)適當(dāng)改變那么12。由圖25 5可知示波器y軸偏轉(zhuǎn)板輸入電壓為將電容C兩端電壓，即R2Uy UC dt1CR2dtnScr2dBcr2(6)上式說明在交變磁場下，任一時(shí)刻電子束在y軸的偏轉(zhuǎn)正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B。圖23-6畸變的磁滯回線實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如圖 以防止這種畸變。R2 C電路在電子技術(shù)中稱為積分電路， 表示輸出的電壓 Uc是感應(yīng)電動(dòng)勢 £對時(shí)間 的積分。為了如實(shí)地繪出磁滯回線，要求：(1)積分電路的時(shí)間常數(shù) R2

11、1 C。( 2)在滿足上述條件下，Uc的振幅很小，如將它 直接加在y軸偏轉(zhuǎn)板上，那么不能繪出大小適合 需要的磁滯回線。為此，需將Uc經(jīng)過示波器y軸放大器增幅后輸至 y軸偏轉(zhuǎn)板上。這就要 求在實(shí)驗(yàn)磁場的頻率范圍內(nèi)，放大器的放大系 數(shù)必須穩(wěn)定，不會(huì)帶來較大的相位畸變。事實(shí)上，示波器難以完全到達(dá)這個(gè)要求，因此，在23 6所示的畸變。適當(dāng)調(diào)節(jié) R1的阻值，可得到最正確磁滯回線圖形,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x和y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)紙上把它連

12、成光滑的曲線，就得到樣品的根本磁化曲線。4、示波器的定標(biāo)。為了定量研究磁化曲線和磁滯回線，必須對示波器進(jìn)行定標(biāo)。對具有校正信號(hào)的示波器，可根據(jù)示波器的使用方法，對x和y軸分別進(jìn)行定標(biāo)，校正x和y軸上每格表示的電壓值后即可以進(jìn)行測量。設(shè)x軸的靈敏度為SX V/格，y軸的靈敏度為SyV/格上述Sx和Sy均可從示波器的 面板上直接讀出來，那么：Ux Sx x；u y Sy y式中，X、y分別為測量時(shí)記錄的坐標(biāo)值單位：格 綜和上述分析，本實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算公式為:(7)(8)NSxxLR1b警ynS式中各物理量的單位為：R、R為Q; L為S為m2; C為F; Sx、Sy為V/格；x、y為格；那么H的單位為A

13、/m, B的單位為T。本實(shí)驗(yàn)樣品一與樣品二為尺寸相同而磁性不同的兩種材料，兩者的勵(lì)磁繞阻匝數(shù) N、測量繞阻匝數(shù) n均相同。其中， N=50, n=150, L=60mm , S=80mm2。【實(shí)驗(yàn)儀器】 示波器，動(dòng)態(tài)磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀如圖23 7所示?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】TH-MHC型隠靜回線實(shí)齢議樣品I磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀圖 23 7并分別調(diào)節(jié)示U=2.2V ,1、按儀器上的線路圖連接電路：先 選擇樣品一，并令 Ri = 2.5Q, “U選 擇置于0位。Uh和Ub分別連接示 波器的“ x輸入和“ y輸入，插孔“丄為公共端。2、樣品退磁：開啟實(shí)驗(yàn)儀器電源， 對試樣進(jìn)行退磁，即順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)“ U選擇旋鈕，令U從

14、0V增至3V, 然后逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，將U從最大值降為0V，其目的是消除剩磁， 確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即B=H =3、觀察磁滯回線：開啟示波器電源，令：波器x和y軸的靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)圖形大小適宜的磁滯回線假設(shè)圖形頂部出現(xiàn)編織狀 的小環(huán)，如圖23 6所示，這時(shí)可以降低勵(lì)磁電壓予以消除。同時(shí)對示波器進(jìn)行定標(biāo)。4、 觀察根本磁化曲線，按步驟 2對樣品進(jìn)行退磁，從 U=0開始，逐檔提高勵(lì)磁電壓，將在 顯示屏上得到面積由小到大一個(gè)套一個(gè)的一簇磁滯回線，把每個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)坐標(biāo)記錄到 表格1中，按7 和8式換算成H和E值，描繪在坐標(biāo)紙上，將各點(diǎn)連成光滑的曲線， 即為根本磁化曲線。5、觀察、比擬樣品一和樣品二的磁化性能。6、測繪 H曲線：開啟電源，對樣品進(jìn)行退磁后，逐檔提高勵(lì)磁電壓，依次測定對應(yīng)不同 電壓的十組Hs和Bs值，分別計(jì)算出 卩，作 H曲線。7、令U=3.0V , Ri= 2.5 Q,測定樣品一的 Bs, Br, He等參數(shù)。8、 令U=3.0V, Ri= 2.5 Q,將所取的H值和其相應(yīng)的B值記入表格2中，在毫米方格紙上 描出飽和磁滯回線，并算出 He、Hs、Bs和Br值?！究记绊氈空{(diào)好磁滯回線大小位置后，必須進(jìn)行退磁，測量過程中，不能再調(diào)節(jié)示波器x, y