實(shí)驗(yàn)_鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線

1、物理實(shí)驗(yàn)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，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)康模赫J(rèn)識鐵磁材料的磁化規(guī)律，比較兩種典型鐵磁物質(zhì)的動態(tài)磁特性。?.測定樣品的基本磁化特性曲線（Bm-Hm曲線），并作 卩一H曲線。3.測繪樣品在給定條件下的磁滯回線，以及相關(guān)的He,Br,Bm，和H B 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)代科技和國防上用途廣泛的材料。鐵，鈷，鎳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(qiáng)烈磁化，磁導(dǎo)率 特性是磁滯，即磁場作用停止后，鐵磁材料

2、仍保留磁化狀態(tài)。圖一為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖中的原點(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H從零開始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段落oa所示；繼之B隨H迅速增長，如ab段所示；其后，B的增長 又趨緩慢；當(dāng)H值增至Hs時(shí)，B的值達(dá)到Bs，在S點(diǎn)的Bs和Hs,通常又稱本次磁滯回線的Bm和Hm。曲線oabs段稱為起始磁化曲線。當(dāng)磁場從Hs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 現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征就是當(dāng)H=0時(shí)，B不為0,而保留剩磁

3、Br。當(dāng)磁場反向從o逐漸變?yōu)?He時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=O，這就說明要想消除剩磁，必須施加反向磁場，He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re稱為退磁曲線。圖一還表明，當(dāng)外磁場按HsT0宀-Hef -HsT0THef Hs次序變化時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則按閉合 曲線sresr變化時(shí)，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(shí) （如變壓器鐵心）, 將沿磁滯回線反復(fù)被磁化T去磁T反向磁化T反向去磁，由于磁疇的存在，此過程要消耗能量，以熱的 形式從鐵磁材料中釋出。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。當(dāng)初始態(tài)為H=B=O的鐵磁材料，在峰值磁

4、場強(qiáng)度H由弱到強(qiáng)的交變磁場作用下磁化，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。很咼。另B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。物理實(shí)驗(yàn)這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱為該鐵磁材料的基本磁化曲線。由此，可近似確定其磁導(dǎo)率尸B/H因B與H是非線性關(guān)系，所以鐵磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(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，這一特點(diǎn)使它廣泛地用于各個方面。磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類的主要依據(jù)，圖四為常見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)，如釹鐵硼合金。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，是制造變

5、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)。觀察和測量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。待測樣品有兩種，為E型的鋼片形式。N為勵磁繞組匝數(shù)，n為測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B所用的測量繞組 匝數(shù)。Ri為勵磁電流限流電阻，同時(shí)也是輸出UH的取樣電阻。設(shè)通過勵磁線圈的勵磁電流為li,則根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強(qiáng)為，(在任意時(shí)刻)少H?dl =習(xí)H= iiN/L圖二 同一鐵磁材料的一組磁滯回線H 關(guān)系曲線圖四不同鐵磁材料的磁滯回線物理實(shí)驗(yàn)ii=Ui/RiL為樣品的平均磁路長度 H=(N/LRi)Ui。所以，我們可以通過

6、測量Ui,計(jì)算出場強(qiáng)H。在交變磁場作用下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度值B瞬時(shí)值是由測量繞組n和R2、C2電路來給定。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,由于測量繞組中磁通變化,在測量線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為：2 = n d$/ d t根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度定義：B=$/SB=(i/nS)/2dt。其中S為樣品的橫截面積。在測試回路中；根據(jù)基爾霍夫定律 有g(shù)=i2R2+U2+i2-L2di2/dt式中R為測試線圈內(nèi)阻，L2為測試線圈自感。 測試線圈的自感和內(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

7、回路方程近似為：2=i2R2而i2=C2dU2/dt所以2= R2C2dU2/dt。由 , 得出B=(R2C2/nS)U2。所以，測得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 測試儀上，可對樣品的磁滯回線多點(diǎn)采樣測定，并計(jì)算出此測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1電路連接：在實(shí)驗(yàn)儀上選定一個樣品，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2.5 Q, U選擇調(diào)節(jié)到0,UH和UB分別連接到示波器的通道i(CHi X)和通道2(CH2 Y)端子。 插孔丄為公共。

8、將示波器的TIME/DIV旋鈕反時(shí)針旋到底(X-Y)檔。2樣品退磁：開啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對試樣進(jìn)行退磁。即順時(shí)針轉(zhuǎn)動一U選擇I旋鈕，令U從0增加到物理實(shí)驗(yàn)3V,然后再反時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，將U從最大值3V減到0,目的是消除剩磁，使測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€，若滯回線頂部出現(xiàn) 編織狀小環(huán)（如圖上所示），可以適當(dāng)降低

9、勵磁電壓予以消除。4觀察、比較樣品1和樣品2的磁滯回線。請注意，在將測試線路從一個樣品移向另一個樣品時(shí)， 請關(guān)閉測試電源。接入樣品后，首先應(yīng)退磁。5測繪樣品的曲線，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Y（UB）,和X（UH）同測試儀的三個相應(yīng)端子用給定的粗線連接起來，開啟電源，對樣品退磁，依次測定U=0.5V、1.0v、3.0V的10組Hm和Bm值（使用測試議的功能7做測試，使用功能11顯示） 填入表一，計(jì)算出 值，用坐標(biāo)紙畫出基本磁化曲線B-H曲線和-H線。6、 令U=3.0V、R=2.5，先退磁，使用測試儀的功能7做一次給定條件下的磁滯回線測試，用功能8，讀出本次測試中

10、近300個點(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 線的He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)請注意所使用的倍數(shù)。記下所用倍數(shù)代號和倍數(shù)值。7、 根據(jù)步驟6中所測得的B、H值用坐標(biāo)紙繪制出磁滯回線（B-H曲線），如何取數(shù)，取多少個數(shù)， 請自行考慮。四、實(shí)驗(yàn)記錄表一、基本磁化曲線（Bm-Hm曲線）和 卩一H曲線。測試條件:單位：UHmBm樣品號:3：物理實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)NoH BNoHBNoHB表二測試條件：u=測試樣品號： 所用倍數(shù)代碼：Hc=磁滯回線Ri=儀器編號：倍數(shù)及單位:Br=m=B：HB=物理實(shí)驗(yàn)磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀分為兩部分，實(shí)驗(yàn)儀

11、和測試儀，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定基本磁化曲線。它由勵磁電源，試樣，電路 板及實(shí)驗(yàn)接線，接線圖等部分組成。1、.勵磁電源由220V、50H市電，經(jīng)變壓器隔離，降壓后，供磁化試樣。勵磁電源輸出電壓共分11檔，即:0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V通過電路板上的波段開關(guān) 一U選擇I實(shí)現(xiàn)切 換。2.試樣試樣有兩個，樣品1和樣品2，它們的平均磁路長度L橫截面積S相同而磁特性不同，兩 者的磁勵繞組匝數(shù)N和測試?yán)@組匝數(shù)n也相同，均制作為E型鐵心型式。2N=50n=150 L=60mm S=80mm3.電路

12、板該印刷電路板上裝有電源開關(guān)，樣品1和樣品2，勵磁電壓選擇（U選擇），和調(diào)節(jié)磁電流兼作H測量的取樣電阻的R1選擇開關(guān)。還有測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B所用的積分電路元件R2、C2。以上各元件（除電源開關(guān)）通過電路板與對應(yīng)的連接用鎖緊插孔相連接，只須采用專用插線，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VB和正比于磁場強(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試儀作定量測試用。4實(shí)驗(yàn)接線示意圖試樣 二、測試儀 測試儀和實(shí)驗(yàn)儀配合使用，能定量，快速測量鐵磁材料，在反復(fù)磁化過程中的B和H的瞬時(shí) 值，并能測出剩磁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

13、關(guān)參數(shù)。1測試儀面板圖：物理實(shí)驗(yàn)2測試儀使用參數(shù)L、測試樣品平均磁路長度已內(nèi)置L=60 cm可修改S、待測樣品橫截面積已內(nèi)置S=80mm2可修改N、待測樣品勵磁繞組匝數(shù)已內(nèi)置N=50可修改n、待測樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度B測量繞組匝數(shù)已內(nèi)置n=150可修改R1、勵磁電流選擇及磁場強(qiáng)度H測量取樣電阻 可在0.5-5 Q間任選R2、積分電阻阻值10K Q固定C2、積分電容20 pf固定UH、正比于磁場強(qiáng)度的有效值電壓供調(diào)試用電壓范圍（01V）UB、正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的有效值電壓供調(diào)試用01V。3瞬時(shí)值B與H的計(jì)數(shù)算公式。H=(N/LR1)U1B=(R2C2/nS)U24測試儀按鍵功能說明：共有按鍵五個, 功

14、能鍵：用于選擇不同功能 共有1 5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,用閃動的小數(shù)點(diǎn)代表,每按一次由左 向右,循環(huán)移動 數(shù)據(jù)鍵：用于在選定的位置上輸入數(shù)字,每按動一次,數(shù)字由09循環(huán)選擇。 復(fù)位鍵：開機(jī)后,顯示器會依次巡回顯示,P和8,表示測試儀處于待命狀態(tài), 在做功能切換或測試儀工作不正常時(shí),應(yīng)按此鍵,使測試儀回到待命狀態(tài)。5測試儀功能介紹： 顯示所測樣品的N和L值,不使用確認(rèn)鍵。物理實(shí)驗(yàn)1 0.1 0.011X10X102X103顯示UB和UH的有效值顯示每周期采樣的總點(diǎn)

15、數(shù)和測試信號頻率，使用確認(rèn)鍵，H使用確認(rèn)鍵后H顯示對磁滯回線采樣308點(diǎn)，測量信號頻率49.9 HZ數(shù)據(jù)采樣，即進(jìn)行測量使用確認(rèn)鍵。H測試儀將對一條磁滯回線，按功能6指定的點(diǎn)自動采樣，測試，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，取后顯示：HH. b.B | C o o d.表示樣測試成功。如果測試儀顯示B bad.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。H | H. S H |B |b. S H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。（右邊窗口）HI n I B 2第二次按確認(rèn)鍵顯示該點(diǎn)的B

16、和H值H | 0.00 4 | B | -0.00 53n. 0 0 5 0B L. 0 6 0 0千匝 百匝 十匝 個匝這里顯示N=5 0顯示所測樣品的n和S值,百十個分毫米Hn. 口 15 百 十顯示R1值和B與H值的倍數(shù)代碼,H廠1. 2 5 0L=40mm不用確認(rèn)B S. 0 8百0分毫米2不用確認(rèn)B S. 3 b. 34X10 4X10545顯示電阻R2和C2數(shù)值X102X103不用確認(rèn)廠2. 100H顯示UH和UB的測量值B在按確認(rèn)鍵后2. 2 0 0U h C.BU b C.0.953 2B0. 1 2 0 2HHH倍數(shù)與B的倍數(shù)代號X10-1X100X101B F.n. 3 0 8 B F. 4 9. 9H . b.物理實(shí)驗(yàn)顯示格式如上，其中第一位是符號位。以4、1、2、3象限為序。全部數(shù)據(jù)讀