2023年用示波器觀察鐵磁材料的動態(tài)磁滯回線實驗報告

用示波器觀測鐵磁材料動態(tài)磁滯回線【摘要】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。BHaBBsca'b'HHmoBrHc圖1起始磁化曲線和磁滯回線軟磁材料的矯頑力Ｈc小于1０0A／ｍ，常用做電機、電力變壓器的鐵芯和電子儀器中各種頻率小型變壓器的鐵芯。磁滯回線是反映BHaBBsca'b'HHmoBrHc圖1起始磁化曲線和磁滯回線【關(guān)鍵詞】磁滯回線示波器電容電阻BmHmBｒH【引言】鐵磁物質(zhì)的磁滯回線可以反映該物質(zhì)的很多重要性質(zhì)。本實驗重要運用示波器的X輸入端和Ｙ輸入端在屏幕上顯示的圖形以及相關(guān)數(shù)據(jù)，來分析形象磁滯回線的一些因素,并根據(jù)數(shù)據(jù)的解決得出動態(tài)磁滯回線的大體圖線?！緦嶒?zāi)康摹浚?結(jié)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HD、Ｂr、ＢS和(Ｈｍ·Bｍ)等參數(shù)。３.測繪樣品的磁滯回線，估算其磁滯損耗。【實驗儀器】電阻箱（兩個），電容(3-5微法),數(shù)字萬用表,示波器，交流電源,互感器。【實驗原理】鐵磁物質(zhì)是一種性能特異,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)。其特性是在外磁場作用下能被強烈磁化，故磁導(dǎo)率μ很高。另一特性是磁滯，即磁化場作用停止后,鐵磁質(zhì)仍保存磁化狀態(tài),圖1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強度B與磁化場強度Ｈ之間的關(guān)系曲線。圖中的原點O表達(dá)磁化之前鐵磁物質(zhì)處在磁中性狀態(tài)，即B=H=O，當(dāng)磁場H從零開始增長時，磁感應(yīng)強度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１表白,當(dāng)磁場從HS逐漸減小至零,磁感應(yīng)強度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到“O”點，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，磁滯的明顯特性是當(dāng)H=O時，Ｂ不為零,而保存剩磁Bｒ。當(dāng)磁場反向從Ｏ逐漸變至-HＤ時,磁感應(yīng)強度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1還表白，當(dāng)磁場按HS→O→HＤ→-HＳ→Ｏ→HD′→HＳ順序變化,相應(yīng)的磁感應(yīng)強度Ｂ則沿閉合曲線變化,這閉合曲線稱為磁滯回線。所以,當(dāng)鐵磁材料處在交變磁場中時（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2同一鐵磁材料的一簇磁滯回線圖1鐵磁質(zhì)起始磁化曲線和磁滯回線圖3鐵磁材料μ圖2同一鐵磁材料的一簇磁滯回線圖1鐵磁質(zhì)起始磁化曲線和磁滯回線圖3鐵磁材料μ與H并系曲線可以說磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類和選用的重要依據(jù),圖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、和交流磁鐵的重要材料。而硬磁材料的磁滯回線較寬。矯頑力大，剩磁強，可用來制造永磁體。觀測和測量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。待測樣品為EI型矽鋼片,Ｎ為勵磁繞組,ｎ為用來測量磁感應(yīng)強度B而設(shè)立的繞組。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L為樣品的平均磁路∵(1）(1)式中的Ｎ1、L、均為已知常數(shù)，所以由可擬定H。在交變磁場下，樣品的磁感應(yīng)強度瞬時值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φ的變化,在測量線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為(2）Ｓ為樣品的截面積。假如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，UＢ為積分電容C兩端電壓,設(shè)在Δt時間內(nèi)，i２向電容的充電電量為Q，則假如選取足夠大的Ｒ２和C，使i2R2＞>Q／C,則∵(3）由(2）、（3)兩式可得(４）上式中Ｃ、R2、n和Ｓ均為已知常數(shù)。所以由UＢ可擬定B0綜上所述,將圖５中的UH和ＵＢ分別加到示波器的“Ｘ輸入”和“Ｙ輸入”便可觀測樣品的B-Ｈ曲線;如將UH和UB加到測試儀的信號輸入端可測定樣品的飽和磁感應(yīng)強度BＳ、剩磁Rr、矯頑力HD、磁滯損耗〔ＷBH〕以及磁導(dǎo)率μ等參數(shù)。【實驗內(nèi)容與環(huán)節(jié)】一根據(jù)線圈阻值估計線圈匝數(shù)1按照圖示連接電路;2移動滑動變阻器,使電流表和電壓表的示數(shù)超過2/３表盤,然后記錄電壓表電流表的示數(shù).3分別測左線圈和右線圈的阻值;4測量線圈直徑,計算線圈的橫截面積.二不同電壓下磁滯回線數(shù)據(jù)的測量1.電路連接：按電路圖連接線路,并令Ｒ1＝2.5Ω。UH和UB分別接示波器的“X輸入”和“Ｙ輸入”。2.樣品退磁:啟動實驗儀電源，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10Ｖ，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,保證樣品處在磁中性狀態(tài),如圖6所示。圖6退磁示意圖圖7U圖6退磁示意圖圖7UB和B的相位差等因素引起的畸變3．觀測磁滯回線：啟動示波器電源,調(diào)至X-Y方式，且X輸入端和Y輸入端都為“DＣ”。令光點位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心,令U=6.0V，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7所示,這時可減少勵磁電壓U予以消除)。４.觀測基本磁化曲線，按環(huán)節(jié)2對樣品進(jìn)行退磁，從U=0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,便可觀測到該曲線的軌跡。5．測繪μ－Ｈ曲線：仔細(xì)閱讀測試儀的使用說明,接通實驗儀和測試儀之間的連線。啟動電源，對樣品進(jìn)行退磁后，依次測定U＝0．5，１.0…3.0V時的十組Hm和Bｍ值,作μ~Ｈ曲線。7.令U=11．0V,Ｒ１＝2.5Ω測定樣品1的BS，Rr，HD,WBＨ,等參數(shù)。8．取環(huán)節(jié)7中的H和其相應(yīng)的Ｂ值，用坐標(biāo)紙繪制B-H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)記錄及解決】一根據(jù)線圈阻值估計線圈匝數(shù)。已知0．5mm直徑的漆包線每米長度相應(yīng)１.6７8歐姆。線圈參數(shù)U（v)Ｉ（mA)L＝Ｒ/１.6７8（ｍ）匝數(shù)左線圈0．37943.405.２０180匝右線圈0.258４6.253.3365匝二不同電壓下磁滯回線數(shù)據(jù)的測量勵磁繞組N1(砸）:180測量繞組N2(砸):65平均磁路Ｌ(mm）:5０電容C(μF）：４.3電阻R１(Ω):２．５電阻R2(kΩ):６０截面S(ｍｍ2）：200U（Ｖ）2hm（mＶ）2bm（mV)hm(mＶ)bm（ｍＶ)U1（mV)I1(mA）４.０302.029８.0３02.５104.5１04.0102.03０0.８３１03.50９5.０138.00５．03６9．0３71.5３７0.01３2.5１３4.21３４．０370．17133.5７115.0４6.00６.０441.０442．544２．01６3.0168.016６.0441.８3165.67137.０54.807.0524．0５2１.05２2.0１９3．0１９2.0192.052２．33１92.３31６2．064.808.0592．0595．0592.０２１2.５２１4.021２.05９3．02１2.８3１８3．673．44９．０670．06７２．０６72.0２37.0234．5232．5671．33234.３3２08.183.２４10.075８.0752.076０.02５3．5２57.025７.07５６.672５5.83２35.594．２０11.０826.0821.08２0.0２６3．0２64.5２66.08２2．３3264.502５6.5１02．6運用上表,根據(jù)hｍ與ｂｍ等數(shù)據(jù)求出Ｈmi與Ｂmi,如下：Hmi=N1hｍｉ／LR1Bｍi=R2C2ｂｍi/N2S其中：N1=180,N２＝６5,L＝５0mmU(V）hm(mV)ｂm(mV）Hm(A/m）Bｍ(Ｔ)4．0３00.83103.5０433.20０.20５45.0370.1７133.5７533.０40.2６5１6.0４41．83１6５.6763６.2４0.３２88７.0522.33192.33752.160.38178.０593．０2１2．83853.920.42２49．0671.3323４．３39６６.７20.465110.0７56.6７255．８31089.60０．507711.０8２2.3３2６4.５01１84．1６0．52４9當(dāng)路端電壓為11.0V時，磁滯回線包圍的面積不再增大,達(dá)成飽和磁滯回線.如下圖,此時：參數(shù)hｍ(mV)bｍ（ｍV)hc(ｍＶ）ｂr(mV）Hm（Ａ/m)Bｍ(T)Hc（A／m)Bｃ(T)數(shù)據(jù)822.3３264．50４９５.0214．0１18４.160．524971２.80.424７【誤差分析及改善】實驗中誤差的來源重要是一:線圈自身有內(nèi)阻，使得數(shù)據(jù)解決過程中對R１的解決偏小,使最終計算出的Hm偏大；二對線圈匝數(shù)和線圈橫截面積的估算,由于實驗儀器參數(shù)的缺失,運用估算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解決會有一定的偏差。改善方法:可以運用低電阻測量阻值的方法,運用開爾文電橋法通直流電源然后測量線圈的確切阻值，從而運用線圈估算線圈匝數(shù)的時候也可以精確一些?！緦嶒炦^程中現(xiàn)象的討論及應(yīng)注意的問題】在實驗過程中注意到：eq＼o\ac（○,１）隨著電源頻率的增長,磁滯回線逐漸變化，最終當(dāng)電源頻率超過1kz時，磁滯回線會變成橢圓,這表白鐵磁介質(zhì)的磁化特性隨著磁化信號頻率的變化而變化。eq\o＼aｃ（○,2)隨著R2的增大,磁滯回線的面積也隨之增大，