鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線

1、鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線實(shí)驗(yàn)講義鐵磁材料按特性分硬磁和軟磁兩大類(lèi)，鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線，反映該材料的重要特性,也是設(shè)計(jì)選用材料的重要依據(jù)。:實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? .認(rèn)識(shí)鐵磁材料的磁化規(guī)律，比較兩種典型鐵磁物質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁特性。2 .測(cè)定樣品的基本磁化特性曲線（Bm-Hm曲線），并作p-H曲線。3 .測(cè)繪樣品在給定條件下的磁滯回線，以及相關(guān)的Hc,Br,Bm,和HB等參數(shù)。:實(shí)驗(yàn)原理：鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，在現(xiàn)代科技和國(guó)防上用途廣泛的材料。鐵，鉆，饃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(chǎng)作用下能被強(qiáng)烈磁化，磁導(dǎo)率科很高。另特性是磁滯，即磁場(chǎng)作用停止后，鐵磁材料仍保

2、留磁化狀態(tài)。圖一為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。圖中的原點(diǎn)。表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=O。當(dāng)外磁場(chǎng)H從零開(kāi)始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段落0a所示；繼之B隨H迅速增長(zhǎng)，如ab段所示；其后，B的增長(zhǎng)又趨緩慢；當(dāng)H值增至Hs時(shí)，B的值到達(dá)Bs,在S點(diǎn)的Bs和Hs,通常又稱(chēng)本次磁滯回線的Bm和Hm。曲線oabs段稱(chēng)為起始磁化曲線。當(dāng)磁場(chǎng)從也逐漸減少至零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到o點(diǎn)，而是沿一條新的曲線sr下降，比較線段os和sr,我們看到：H減小，B也相應(yīng)減小，但B的變化滯后于H的變化，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為磁滯，磁滯的明顯特征就是當(dāng)H=0時(shí)，

3、B不為0,而保留剩磁Br。當(dāng)磁場(chǎng)反向從o逐漸變?yōu)?Hc時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=O,這就說(shuō)明要想消除剩磁，必須施加反向磁場(chǎng)，Hc稱(chēng)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rc稱(chēng)為退磁曲線。圖一'還說(shuō)明，當(dāng)外磁場(chǎng)按Hs0一-Hc-Hs一0一Hc一Hs次序變化時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則按閉合曲線srcs'r'變化時(shí)，這閉合曲線稱(chēng)為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng)中時(shí)如變壓器鐵心：將沿磁滯回線反復(fù)被磁化一去磁一反向磁化一反向去磁，由于磁疇的存在，此過(guò)程要消耗能量，以熱的形式從鐵磁材料中釋出。這種損耗稱(chēng)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。當(dāng)初始態(tài)為H

4、=B=O的鐵磁材料，在峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度H由弱到強(qiáng)的交變磁場(chǎng)作用下磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一組磁滯回線，如圖二所示。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱(chēng)為該鐵磁材料的基本磁化曲線。由此，可近似確定其磁導(dǎo)率產(chǎn)B/H因B與H是非線性關(guān)系，所以鐵磁材料的磁導(dǎo)率科不是常數(shù)，而是隨H而變化，如圖三所示。鐵磁材料的磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千至數(shù)萬(wàn)，這一特點(diǎn)使它廣泛地用于各個(gè)方面。圖四不同鐵磁材料的磁滯回線磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類(lèi)的主要依據(jù)，圖四為常見(jiàn)的幾種典型的磁滯回線。其中，磁滯回線寬者，為硬磁材料，適用制造永磁體，其矯頑力大。剩磁強(qiáng)，如鈦鐵硼合金。磁滯回線細(xì)而窄者,為軟磁材料，矯頑力，剩磁和磁滯損耗均較小，是

5、制造變壓器、電機(jī)和交流電磁鐵的主要材料。磁滯回線如矩形者，矯頑力小，剩磁大，適于做記憶材料。如磁環(huán)、磁膜，廣泛地應(yīng)用于高科技行業(yè)。觀察和測(cè)量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。待測(cè)樣品有兩種，為E型的鋼片形式。N為勵(lì)磁繞組匝數(shù)，n為測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B所用的測(cè)量繞組匝數(shù)。Ri為勵(lì)磁電流限流電阻，同時(shí)也是輸出Uh的取樣電阻。設(shè)通過(guò)勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流為Ii,則根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場(chǎng)強(qiáng)為，在任意時(shí)刻爐H?dl=習(xí)H=iiN/Lii=Ui/RiL為樣品的平均磁路長(zhǎng)度H=(N/LRi)Ui。所以，我們可以通過(guò)測(cè)量Ui,計(jì)算出場(chǎng)強(qiáng)Ho在交變磁場(chǎng)作用下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度值B瞬時(shí)值是由測(cè)量繞組n和R2

6、、C2電路來(lái)給定。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于測(cè)量繞組中磁通變化，在測(cè)量線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)的大小為：£2=nd()/dt根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度定義：B=»SB=(i/nS)/2dt。其中S為樣品的橫截面積。在測(cè)試回路中；根據(jù)基爾霍夫定律有wi2R2+U2+i2r-L2di2/dt式中R為測(cè)試線圈內(nèi)阻，L2為測(cè)試線圈自感。測(cè)試線圈的自感和內(nèi)阻都很小，我們把它們忽略，則回路方程為：2=i2R2+U2U2=Q/C2由于我們選用的R2和C2都比較大，而i2R2和Q/C2相比較,i2R2>>Q/C2所以又把回路方程近似為：&=i2R2而i2=C2dU2/dt所以2=R

7、2c2dU2/dt。由，得出B=R2c2/nSU2。所以，測(cè)得U2,便可計(jì)算出B。綜上所述，我們將Ui、U2加到示波器的X、y輸入端上，便可看到樣品的磁滯回線B-H線加到測(cè)試儀上，可對(duì)樣品的磁滯回線多點(diǎn)采樣測(cè)定，并計(jì)算出此測(cè)試條件下的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,剩磁Br,矯頑力Hc和磁滯損耗BH。及磁導(dǎo)率。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容i.電路連接：在實(shí)驗(yàn)儀上選定一個(gè)樣品，按實(shí)驗(yàn)儀機(jī)箱上所給定的電路圖連接線路，把Ri選擇調(diào)到2.50,U選擇調(diào)節(jié)到0,Uh和Ub分別連接到示波器的通道iCHiX和通道2CH2Y端子。插孔，為公共。將示波器的TIME/DIV旋鈕反時(shí)針旋到底X-Y檔。2樣品退磁：開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對(duì)試樣進(jìn)行退磁

8、。即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)“U選擇”旋鈕，令U從0增加到3V,然后再反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，將U從最大值3V減到0,目的是消除剩磁，使測(cè)試樣品處于磁中性狀態(tài)。即B=H=0,如圖六所示。3、觀察磁滯回線：打開(kāi)示波器電源，適當(dāng)調(diào)節(jié)光點(diǎn)的亮度INTEN和聚焦FOCUS，使光點(diǎn)清晰，同時(shí)調(diào)節(jié)光點(diǎn)的水平位置和CH2的垂直位置，使光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格的中心。令U=2.2V,分別適當(dāng)調(diào)節(jié)CH1和CH2的靈敏度VOLTS/DIV使顯示屏上出現(xiàn)大小適當(dāng)?shù)拇艤鼐€，假設(shè)滯回線頂部出現(xiàn)編織狀小環(huán)如圖上所示，可以適當(dāng)降低勵(lì)磁電壓予以消除。4觀察、比較樣品1和樣品2的磁滯回線。請(qǐng)注意，在將測(cè)試線路從一個(gè)樣品移向另一個(gè)樣品時(shí)，請(qǐng)關(guān)閉測(cè)試電源。接

9、入樣品后，首先應(yīng)退磁。5測(cè)繪樣品的曲線，關(guān)閉示波器和實(shí)驗(yàn)儀電源，撤去示波器，輸入探筆，將實(shí)驗(yàn)儀的YUb，和XU5和Bm值使用測(cè)試議的功能7做測(cè)試，使用功能11顯示填入表一，計(jì)算出科值，用坐標(biāo)紙畫(huà)出基本磁化曲線B-H曲線和-H線。6、令U=3.0V、R=2.5,先退磁，使用測(cè)試儀的功能7做一次給定條件下的磁滯回線測(cè)試，用功能8,讀出本次測(cè)試中近300個(gè)點(diǎn)的B,H值，記入表一，并用功能11讀出Bm,用功能9讀出本次磁滯回線白Hc和Br,用功能10讀出本次磁滯回線的磁滯損耗HB,填入表二，填表時(shí)請(qǐng)注意所使用的倍數(shù)。記下所用倍數(shù)代號(hào)和倍數(shù)值。7、根據(jù)步驟6中所測(cè)得的B、H值用坐標(biāo)紙繪制出磁滯回線（B-

10、H曲線），如何取數(shù)，取多少個(gè)數(shù)，請(qǐng)自行考慮。四、實(shí)驗(yàn)記錄表一、基本磁化曲線Bm-Hm曲線和一H曲線。測(cè)試條件：樣品號(hào)：儀器號(hào)：?jiǎn)挝唬篐:B:Li：UHmBm禮表二磁滯回線測(cè)試條彳U=R仔測(cè)試樣品號(hào)：儀器編號(hào)：所用倍數(shù)代碼：倍數(shù)及單位：H:B:Hc=B尸Bm=HB=NoHBNoHBNoHB磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀分為兩部分，實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀，我們分兩部分作介紹。壹、實(shí)驗(yàn)儀、配合示波器，可以觀察鐵磁材料的磁滯回線和測(cè)定基本磁化曲線。它由勵(lì)磁電源，試樣，電路板及實(shí)驗(yàn)接線，接線圖等部分組成。1、勵(lì)磁電源由220V、50H市電，經(jīng)變壓器隔離，降壓后，供磁化試樣。勵(lì)磁電源輸出電壓共分11檔，即:0、0.5、1.0、1

11、.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V通過(guò)電路板上的波段開(kāi)關(guān)“U選擇”實(shí)現(xiàn)切2.試樣試樣有兩個(gè)，樣品1和樣品2,它們的平均磁路長(zhǎng)度L橫截面積S相同而磁特性不同，兩者的磁勵(lì)繞組匝數(shù)N和測(cè)試?yán)@組匝數(shù)n也相同，均制作為E型鐵心型式。2N=50n=150L=60mmS=80mm3.電路板該印刷電路板上裝有電源開(kāi)關(guān)，樣品1和樣品2,勵(lì)磁電壓選擇U選擇，和調(diào)節(jié)磁電流兼作H測(cè)量的取樣電阻的R1選擇開(kāi)關(guān)。還有測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B所用的積分電路元件R2、C2。以上各元件除電源開(kāi)關(guān)通過(guò)電路板與對(duì)應(yīng)的連接用鎖緊插孔相連接，只須采用專(zhuān)用插線，即可實(shí)現(xiàn)電路連接。電路板上還設(shè)有正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的電壓

12、Vb和正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的電壓Vh輸出插孔，用于連接示波器，觀察磁滯回線及連接測(cè)試儀作定量測(cè)試用。4.實(shí)驗(yàn)接線示意圖試樣二、測(cè)試儀測(cè)試儀和實(shí)驗(yàn)儀配合使用，能定量，快速測(cè)量鐵磁材料，在反復(fù)磁化過(guò)程中的B和H的瞬時(shí)值，并能測(cè)出剩磁Br,矯頑力He,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,計(jì)算出磁滯損耗HB等各種相關(guān)參數(shù)。1.測(cè)試儀面板圖：2.測(cè)試儀使用參數(shù)L、測(cè)試樣品平均磁路長(zhǎng)度已內(nèi)置L=60cm可修改S、待測(cè)樣品橫截面積已內(nèi)置S=80mm2可修改N、待測(cè)樣品勵(lì)磁繞組匝數(shù)已內(nèi)置N=50可修改n、彳寺測(cè)樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度B測(cè)量繞組匝數(shù)已內(nèi)置n=150可修改RiQ間任選R2、積分電阻阻值10KQ固定C2、積分電容204固定Uh

13、、正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的有效值電壓供調(diào)試用電壓范圍01VUb、正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的有效值電壓供調(diào)試用01V03.瞬時(shí)值B與H的計(jì)數(shù)算公式。H=(N/LRi)UiB=R2C2MSU24.測(cè)試儀按鍵功能說(shuō)明：共有按鍵五個(gè)，功能鍵：用于選擇不同功能共有15種，每按一次，切換一種，在數(shù)碼顯示窗上，顯示選定功能代碼。確認(rèn)鍵：當(dāng)選定某功能后，按下此鍵，測(cè)試儀便執(zhí)行選定功能。數(shù)位鍵：用于選定要輸入的數(shù)字的位置，用閃動(dòng)的小數(shù)點(diǎn)代表，每按一次由左向右，循環(huán)移動(dòng)(4)數(shù)據(jù)鍵：用于在選定的位置上輸入數(shù)字，每按動(dòng)一次，數(shù)字由0-9循環(huán)選擇。復(fù)位鍵：開(kāi)機(jī)后，顯示器會(huì)依次巡回顯示，P和8,表示測(cè)試儀處于待命狀態(tài)，在做功能切換或

14、測(cè)試儀工作不正常時(shí)，應(yīng)按此鍵，使測(cè)試儀回到待命狀態(tài)。5.測(cè)試儀功能介紹：顯示所測(cè)樣品的N和L值，不使用確認(rèn)鍵。HIn.0050BL.0600千匝百匝十匝個(gè)匝百十個(gè)分毫米L=40mm不用確認(rèn)BS.08百十個(gè)00分毫米這里顯示N=50顯示所測(cè)樣品的n和S值,H|n.口15口千百十個(gè)匝顯示R1值和B與H值的倍數(shù)代碼,不用確認(rèn)r1.250BS.3b.3H倍數(shù)X1012X102X10310.10.01B的倍數(shù)H與B的倍數(shù)代號(hào)1X10-12X10°3X101X1044M022.200在按確認(rèn)鍵后UhC.0.9532UbC.0.12025X1055X103(4)顯示電阻R2和C2數(shù)值不用確認(rèn)H|廠

15、2.100顯示UH和uB的測(cè)量值顯示UB和UH的有效值(6) 顯示每周期采樣的總點(diǎn)數(shù)和測(cè)試信號(hào)頻率，使用確認(rèn)鍵，H|口.BF.1一使用確認(rèn)鍵后HIH.308BF.49.9顯示對(duì)磁滯回線采樣308點(diǎn)，測(cè)量信號(hào)頻率49.9Hz數(shù)據(jù)采樣，即進(jìn)行測(cè)量使用確認(rèn)鍵。HH.b-測(cè)試儀將對(duì)一條磁1t回線,按功能6指定的點(diǎn)自動(dòng)采樣,測(cè)試，按確認(rèn)鍵后窗口顯H，°，°°B°、°°°持續(xù)一段時(shí)間，然后，窗口全暗，最后顯示:HIH.b.BICood,表示如果測(cè)試儀顯示Bbad.表示系統(tǒng)有故障，應(yīng)查明原因后再使用。顯示磁滯回線上各樣點(diǎn)的B和H的瞬時(shí)值。HIH.SH口IB|b.SH口每按兩次確認(rèn)鍵，顯示指定點(diǎn)的B和H瞬時(shí)值，其中，第一次按鍵，顯示點(diǎn)序號(hào)。右邊窗口H|口口IB2第二次按確認(rèn)鍵顯示該點(diǎn)的B和H值H|0.004IB|-0.0053顯示格式如上，其中第一位是符號(hào)位。以4、1、2、3象限為序