大學(xué)物理設(shè)計性實(shí)驗(yàn) 軟磁材料靜態(tài)磁特性的測定

1、軟磁材料靜態(tài)磁特性的測定一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)首先要學(xué)習(xí)設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、基本的類型以及一般的程序，以此為基礎(chǔ)學(xué)握設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的一般步驟。設(shè)計測定軟磁材料靜態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)握沖擊電流計的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性。利用實(shí)驗(yàn)室所提供的器材測量沖擊電流計的沖擊常數(shù)，并利用沖擊電流計來測量軟磁材料的靜態(tài)特性。二、實(shí)驗(yàn)要求要求對沖擊電流計的結(jié)構(gòu)、工作原理有充足的認(rèn)識，這是做好用沖擊電流計測量軟磁靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，同時要知曉沖擊電流計的沖積常數(shù)的測量方法，設(shè)計相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路來測量。設(shè)計電路利用沖擊電流計測量并繪制出軟磁材料的靜態(tài)磁特性曲線。三、實(shí)驗(yàn)方案1、物理模型的比較與選擇在各種電器的鐵芯中軟磁材料大多形成閉合磁

2、路，所以釆用閉合樣品進(jìn)行測量與實(shí)際應(yīng)用場合符合最好，同時也可以消除退磁場帶來的影響。常見的閉合磁路的環(huán)狀樣品形狀如圖所示。閉合環(huán)路樣品在環(huán)路樣品上繞Ni匝初級線圈和N?匝次級線圈。初級線圈里通過電流ii,在磁環(huán)中產(chǎn)生磁場，其場強(qiáng)：1是樣品的平均長度，Ri是與初級線圈串聯(lián)的電阻，ui是Ri兩端的電壓。電路圖如下： 8- 測量沖擊常數(shù)q參考電路注意:R0=lOKQR0=lOKQR進(jìn)行軟磁的靜態(tài)測量，電流由直流電源來提供。樣品被磁化后，進(jìn)而在測量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)在測量線圈中產(chǎn)生的磁場垂直于匝數(shù)為N2,截面積為S的測量線圈的截面。當(dāng)勵磁電流有一突然變化時（由1-0）,磁感應(yīng)強(qiáng)度由E變?yōu)?,則,

3、_N空“竺空dtRdt通過測量線圈的電流為.8N2SdB1RRdt通過線圈的電量為得到q=fidt=-N2SfdB=N2SBJR晁RRcbnE=n“S若勵磁電流由I變?yōu)閯t磁感應(yīng)強(qiáng)度由E變?yōu)榇藭rRcbnB=2N2S；其中a為沖擊電流計的沖積常數(shù),11為電流計上光標(biāo)的最大偏轉(zhuǎn)格數(shù),R是回路的總電阻。沖積常數(shù)的測量：a的的測量也可以釆用沖擊法，通過換向開關(guān)使互感器原邊電流由+1變?yōu)橥瑯涌傻茫?IM最后可得:Cb=2MIM為標(biāo)準(zhǔn)互感器的互感系數(shù)，2為K倒向Y時沖擊電流計的最大偏格數(shù)，R是回路的總電阻。2、實(shí)驗(yàn)方法的比較與選擇（1）沖擊法：沖擊法主要用于測量在直流情況下的軟磁的靜態(tài)磁特性。在開始測量之前

4、，要進(jìn)行退磁，用于消除在試樣中可能存在著的剩磁。為此,應(yīng)把檢流計的短路電鍵閉合，是檢流計中沒有電流通過，在磁化繞組里通以電流,其大小應(yīng)使作用在試樣上的磁場強(qiáng)度H比測量時所需要的最大值略大一點(diǎn)。然后慢慢的減小磁化電流并把開關(guān)S不斷調(diào)節(jié)，以使在電流減少區(qū)間內(nèi)有盡可能多的磁化電流循環(huán)通過式樣。去磁后，就可以開始測定磁化曲線，把開關(guān)S合上后，此時式樣中感應(yīng)強(qiáng)度有一個增量，在沖擊電流計上有一個偏轉(zhuǎn)，從而可以計算出相應(yīng)的H.B“通過改變磁化電路的電阻逐漸增加磁化電流。如：增加電流后，使磁場強(qiáng)度增加到比，并根據(jù)所觀察到的檢流計的沖程確定出磁感應(yīng)強(qiáng)度相應(yīng)的增加量AB,則與比對應(yīng)的B2=Hx+AB,直到得到H的

5、最大值為止。即可繪制出B-H曲線。為求得試樣的磁滯回線，在測定B-H圖線的過程中，當(dāng)獲得最大的H值時，通過改變磁化電路電阻使磁化電流逐漸減小到零。勵磁電流減小到零后，乂把電流反向開關(guān)倒向，以獲得負(fù)的H值，在此以后，當(dāng)H達(dá)到負(fù)的最大值后，在減小磁化電流，使勵磁電流減小到零，然后在把反向開關(guān)倒向，再使H從零增加到最大值。至此整個磁滯回線的測量工作結(jié)束。（2）示波器法：示波器主要用于測量在交流的情況下的軟磁的磁特性。磁性材料在交流磁場下的特性比起直流特性要復(fù)雜得多。這是由于渦流和磁滯造成的。在交流情況下的特點(diǎn)是用種種方法測得的磁性參數(shù)都不再象直流情況下那樣僅僅取決于被測材料本身的磁性，而與材料的厚度

6、、試樣的尺寸以及測量時磁化電源頻率等因素有關(guān)。圖4示液器法測動杰我特性回圾由取樣電阻取出的與磁化電流（即磁場強(qiáng)度）有關(guān)的信號，加到示波器的X軸上;取自測量線圈的磁通密度信號，經(jīng)積分器加到示波器的Y軸。此時，可在示波器的熒光屏上展示出材料試樣的動態(tài)磁特性回線。此回線反映在材料中存在磁滯與渦流效應(yīng)時的磁特性。（3）電子積分法：采用RC積分法，通過自動記錄磁通隨磁場的變化，描繪磁滯回線，然后，由飽和磁滯回線求取Bs、B、Hco基本原理電路見圖。Ui11_rLUc_RN1N2cl1RhUrTOC o 1-5 h zAl.Ub1A2_LUhGx1圖中N?繞組的端電圧為u.=N.AdtG勵磁電源；GX該滯

7、回線及BS、Br、HC的記錄L被測樣品；UBA1放大器輸出（顯示）器。電壓；N1-一樣品測試線圈初級繞組;A1-B通道高增益放大器；N2-一樣品測試線圈次級繞組;RH-電流取樣無電抗電阻；R無電抗電阻；UR-電阻RH上電壓；C一電容；UH-A2放大器輸出電壓；UC-電容C上電壓；A2-H通道高增益放大器；由于內(nèi)為高增益放大器，則下列式成立:u.=N.AiRdtN2AB=-RjidRCU由H1二Nil二N1UR/RH,得到樣品中的磁化場H為:nQh鑒于在實(shí)驗(yàn)室所提供的儀器情況，選擇沖擊法來研究軟磁材料的靜態(tài)磁特性。3、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析）實(shí)驗(yàn)儀器：一個沖擊檢流計、一個0.01H的標(biāo)準(zhǔn)

8、電感器、一個電源、一個滑線變阻器、一個電流表、一個電阻箱、一個雙刀雙擲電鍵、一個單刀雙擲電鍵、一個軟磁芯以及漆包線、導(dǎo)線若干。說明：其中需要雙刀雙擲開關(guān)作為電路的換向開關(guān)。誤差分析：實(shí)際材料的性能不能嚴(yán)格的通過圖示來表示，磁滯凹線只是理想狀態(tài)下的圖線。沖擊電流計在使用的過程中，由于存在視差，往往會給實(shí)驗(yàn)的結(jié)果帶來一定影響。檢流計指針為零時，電流并不一定為零，只是這個電流還不足以引起電流計指針的偏轉(zhuǎn),以致無法觀察到，這必然會給實(shí)驗(yàn)的結(jié)果造成一定的誤差。同時沖擊電流計的零點(diǎn)不準(zhǔn)，及左右偏轉(zhuǎn)扭矩不均勻也會帶來系統(tǒng)誤差。4、測量條件與最佳參數(shù)的確定在電氣工程及電工儀表中，塊狀的磁材料用于直流，而片狀形

9、式的磁材料則常用于交流。采用環(huán)狀式樣的缺點(diǎn)在于這樣的試樣及其激磁繞組的制備手續(xù)比棒形式樣更困難。但是由于環(huán)形試樣沒有自去磁效應(yīng)，可以獲得較棒形試樣更可靠的結(jié)果，因此在測量準(zhǔn)確性要求較高的情況下，常用環(huán)形試樣。首先計算樣品有效截面積S及有效磁路長度1。為了使樣品內(nèi)部磁化均勻，應(yīng)在樣品上均勻繞上匝數(shù)分別為Nl、N2的磁化線圈和測量線圈。一般磁化線圈匝數(shù)是測量線圈匝數(shù)的23倍。電流表量程選擇在滿度的2/3處選擇合適的測量環(huán)境，沖擊電流計允許通過的電流很小，要在老師的指導(dǎo)下連接電路，不能把沖擊電流計燒毀。實(shí)驗(yàn)中所需要的參數(shù)即為沖擊電流計的沖積常數(shù)，在測量軟磁特性之前進(jìn)行測量。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、準(zhǔn)備工作：

10、測量鐵氧體磁芯的兒何尺寸，D外二45.00mmD內(nèi)二25.50mmh厚度二8.00mmL=鄉(xiāng)(D外+D內(nèi))S=(D外一D內(nèi))計算：相關(guān)參數(shù)：鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs二0.20.4T,其飽和時的相對磁導(dǎo)率R約為2000,所以，Hm二100A/mo最大勵磁電流為Im=0.35Ao：估算x_HmLm給沖擊電流計定標(biāo)(1)給定I，并將S2合到d端，R取100QQ,閉合Ss和通過調(diào)節(jié)卍,使電流表的讀數(shù)為給定的IO斷開Ss,讀出沖擊電流計的偏轉(zhuǎn)值cf右（或dJo再迅速打開S|,記錄下d左（或d右），根據(jù)這兩個數(shù)值求d的平均值I*(mA)d右(mm)d左(mm)d(mm)350155.0245.0200.

11、0350156.0248.0202.0350150.0242.0196.0350154.0247.0200.5350155.0247.0201.0350153.0248.0200.5由公式q,=計算G,n取nO（刻度尺最大偏格22cm）的90%,留出余量。q二3.5X10估算N=曇上2BmS23探究軟磁材料的靜態(tài)特性根據(jù)第一次課的估算數(shù)據(jù)，繞制螺繞環(huán)的初級次級線圈。（1）退磁首先把K閉合到一端，在磁化線圈中通以電流，然后通過改變磁化電路的電阻來慢慢的減小磁化電流，并把開關(guān)K不斷的上下來回調(diào)節(jié)，以使在電流減小區(qū)間里有盡可能多的磁化電流循環(huán)通過試樣。（2）測定基本磁化曲線去磁后，就可以測定磁化曲線

12、。閉合心，心通過改變磁化電路的電阻，確定磁化電流。試樣中的磁感應(yīng)強(qiáng)度在短時間內(nèi)有一個增量（從0增加到某個$值），在沖擊電流計上觀察偏轉(zhuǎn)，即為也由R、S、&、辱Cb:RcbdiB1=N：S;hn山同樣可以計算出Hij；改變電流，增加電流，記為R，可以計算出H2,同時沖擊電流計的沖程會增加Adi,可以計算出AB1。E?=Bj+ABi；用類似的方式，增加H值，測出對應(yīng)的B值，直到H的最大值為止。就能測得試樣的B-H曲線。（3）測量軟磁材料的磁滯回線為測得磁滯回線，在測量EH曲線的時候，當(dāng)獲得最大的H值后，不斷減小磁化電路的電流I,使磁化電流逐漸減小到0,此過程中記錄沖擊電流計的沖程d.計算相應(yīng)的H、

13、E值。等激磁電流減小到零后，再把Si倒向，以獲得負(fù)的H值，此后增加磁化電流I,方式如同（2）；等H達(dá)到負(fù)的最大值，再減小磁化電流，此后方式如同前面介紹的，再減小磁化電流，直到激磁電流為零時，Si再倒向，增加磁化電流，直到達(dá)到H的最大值。在以上過程中，對應(yīng)每一磁化電流下的H、E值都要通過記錄的d、I計算出來。至此整個磁滯回線的測量工作結(jié)束。測量飽和磁滯回線的操作要點(diǎn):（1）螺繞環(huán)磁化，從小電流測起（取10到15個點(diǎn)，達(dá)到最大電流350mA）,每個測量點(diǎn)先“鍛煉”10次，再測量。做II+WII+,記錄左右偏轉(zhuǎn)格數(shù)，取平均，計算B=S5Lno注意切斷檢流計。2NS2N.S（2）測量A點(diǎn)，做I1+和1

14、+I，得到平均值6由，計算BA（Bs）o（3）勵磁電流停留在A點(diǎn)（最大電流350mA）,以便測量磁滯回線。（4）r及廣的測量勵磁電流1+-00rI-I-001+磁化狀況A*IrfA，A?rr-Y數(shù)據(jù)花錄nV求平均值山，計算耳亠礬（一兒）（5）測量C1-C4:前面測量回到A點(diǎn)。迅速調(diào)節(jié)勵磁電流，使H到C1點(diǎn)。勵磁電流1+00I-I調(diào)到I存再調(diào)到3點(diǎn)I-001+磁化狀況C1-rrC2C3rr7C4數(shù)據(jù)記錄nClnC2nC3nc+B+氏Br-BI表中B為測量值，由B=n計算。E及Br都為絕對值。N.S五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、在實(shí)驗(yàn)開始前要真正熟悉沖擊電流計的結(jié)構(gòu)及其工作原理。2、沖擊電流計是很精細(xì)的儀器

15、，在使用的過程中要小心，不能將其燒毀。3、在開始測量前，要對材料式樣進(jìn)行退磁，以保證在開始測量的時候，材料式樣中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.4、在實(shí)驗(yàn)中要及時記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，要記全。六、參考文獻(xiàn)張雄.王黎智物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計與研究.北京：科學(xué)出版社，2001.6.成數(shù)維.牛原.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：北京交通大學(xué)出版社，2010.5.李天應(yīng).物理實(shí)驗(yàn).武漢：華中理工大學(xué)，2001.1.曾仲寧.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)北京:中國鐵道出版社，2004.9.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):S二0.0000781=0.111Ni=32(20)匝N?=172(160)匝注：括號內(nèi)為實(shí)際值R=10000Q(1)P數(shù)里12345678910I(mA)357010514017