磁化曲線與磁滯回線的研究試驗目的了解鐵磁質在磁場中磁化

1、磁化曲線與磁滯回線的研究一、實驗目的1了解鐵磁質在磁場中磁化的原理及其磁化規(guī)律。2 學習使用雙蹤示波器測繪基本磁化曲線和磁滯回線。3測定樣品的磁滯回線，確定矯頑力，剩磁感應強度，最大磁感應強度等參數(shù)。、實驗儀器 雙蹤示波器，CZY-1型磁滯回線實驗儀 三、實驗原理磁性材料應用廣泛，從常用的永久磁鐵、變壓器鐵芯到錄音、錄像、計算機 存儲的磁盤等都采用磁性材料。磁滯回線和基本磁化曲線反映了磁性材料的主要 特征。通過實驗不僅能掌握用示波器觀察磁滯回線， 以及基本磁化曲線的基本測 量方法，而且能從理論和實際應用上加深對鐵磁材料的認識。鐵磁材料分為硬磁和軟磁兩大類，其根本區(qū)別在于矯頑磁力H c的大小不同

2、。 硬磁材料的磁滯回線寬，剩磁和矯頑力大（達到 12020000A/m以上），因而磁 化后，其磁性可長久保持，適宜做永久磁鐵。軟磁材料的磁滯回線窄，矯頑力Hc 一般小于120A/m,但其磁導率和飽和磁感應強度大，容易磁化和去磁，故廣泛 用于電機、電器和儀表制造等工業(yè)部門。磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料的重要 特性，是設計電磁機構和儀表的重要依據(jù)之一。磁學量的測量一般比較困難，通常利用相應的物理規(guī)律，將磁學量轉換為易 于測量的電學量。這種轉換測量法是物理實驗中常用的基本測量方法。測繪磁化曲線和磁滯回線常用沖擊電流計法和示波器法，是磁測量的基本方法。第一種方法準確度較高，但較復雜；后一種方法雖準確度

3、低，但卻具有直觀、方便迅速以 及能在脈沖磁化下測量的優(yōu)點。本實驗采用示波法。1、磁化曲線如果在由電流產(chǎn)生的磁場中放入鐵磁物質，則磁場將明顯增強，此時鐵磁物 質中的磁感應強度比沒放入鐵磁物質時電流產(chǎn)生的磁感應強度增大百倍， 甚至在 千倍以上。鐵磁物質內(nèi)部的磁場強度 H與磁感應強度B有如下的關系：B =呻對于鐵磁物質而言，磁導率并非常數(shù)，而是隨H的變化而變化的物理量， 即亠二f（H），為非線性函數(shù)。所以B與H也是非線性關系，如圖（1）所示：Bs鐵磁材料的磁化過程為：其未被磁化時的狀態(tài)稱為去磁狀態(tài)，這時若在鐵磁磁化曲線和H-H茁銭 ffl （1）材料上加一由小到大變化的磁化場，則鐵磁材料內(nèi)部的磁場強

4、度 H與磁感應強 度B也隨之變大。但當H增加到一定值（Hs ）后，B幾乎不再隨著H的增加而起始磁化曲線和磴滯回線圖（2）增加，說明磁化達到飽和，如圖（1）中的OS段曲線所示。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， 可以看出，鐵磁材料的B和H不是直 線，即鐵磁材料的磁導率亠-B/H不是常數(shù)2、磁滯回線當鐵磁材料的磁化達到飽和之后，如果將磁場減小，則鐵磁材料內(nèi)部的B和 H也隨之減小。但其減小的過程并不是沿著磁化時的 OS段退回。顯然，當磁化 場撤消，H =0時，磁感應強度仍然保持一定數(shù)值 B=Br，稱為剩磁（剩余磁感 應強度）。若要使被磁化的鐵磁材料的磁感應強度 B減小到0，必

5、須加上一個反向磁場 并逐步增大。當鐵磁材料內(nèi)部反向磁場強度增加到H二He時（圖2上的C點），磁感應強度B才為0,達到退磁。圖（2）中的be段曲線為退磁曲線，HC為矯頑 力。如圖（2）所示，H 按 Or HSrOr-HSr-HCr Or HC“ H S 的順 序變化時，B相應沿O BS Br O - BS - Br O BS的順序變化。 圖中的Oa段曲線稱起始磁化曲線，所形成的封閉曲線 abedefa稱為磁滯回線。 由圖（2）可知：（1）當H =0時，B = 0，這說明鐵磁材料還殘留一定值的磁感應強度 Br， 通常稱Br為鐵磁物質的剩余感應強度（剩磁）。（2）若要使鐵磁物質完全退磁，即B = 0

6、必須加一個反向磁場HC。這個反 向磁場強度Hc稱為該鐵磁材料的矯頑力。（3）圖中be曲線段稱為退磁曲線。（4）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。（5）H的上升與下降到同一數(shù)值時，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。（6）當從初始狀態(tài)H =0，B=0開始周期性地改變磁場強度的幅值時，在 磁場由弱到強單調增加過程中，可以得到面積由大到小的一簇磁滯回線，如圖（3） 所示。其中最大面積的磁滯回線稱為極限磁滯回線。（7）由于鐵磁材料磁化過程的不可逆性及具有剩磁的特點，在測定磁化曲線和磁滯回線時，首先須將鐵磁材料預先退磁，以保證外加磁場H = 0時，B=

7、0 ；其次，磁化電流在實驗過程中只允許單調增加或減少， 不能時增時減。在理論上, 要消除剩磁Br，只需改變磁化電流方向，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑 力即可。實際上，矯頑力的大小通常并不知道，因而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達到磁飽和，然后不斷改變磁化 電流的方向，與此同時逐漸減小磁化電流，直至為零。則該材料的磁化過程就是 一連串逐漸縮小而最終趨于原點的環(huán)狀曲線，如圖（4）所示BH圖（3）H7實驗表明，經(jīng)過多次反復磁化后， 的“磁滯回線”。 程稱為“磁鍛煉”。 的“磁鍛煉”，隨時可以獲得磁滯回線。B H的量值關系形成一個穩(wěn)定的閉合 通常以這條曲線來表

8、示該材料的磁化性質。這種反復磁化的過 本實驗采用50赫茲的交變電流，所以每個狀態(tài)都是經(jīng)過充分我們把圖（3）中原點O和各個磁滯回線的頂點ai,a2,a3an所連成的曲線， 稱為鐵磁材料的基本磁化曲線。不同的鐵磁材料其基本磁化曲線是不同的。 為了 使樣品的磁特性可以重復出現(xiàn)，也就是指所測得的基本磁化曲線都是由原始狀態(tài)（H =0, B=0 ）開始，在測量前必須進行退磁，以消除樣品中的剩余磁性。 磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類和選用的主要依據(jù)，其中軟磁材料的磁器、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 的主要材料。而硬磁材料的磁滯回線較寬，矯頑力大，剩磁強，可用來制造

9、永久 磁體。3、示波器顯示B H曲線的原理和線路示波器測量B H曲線的實驗線路如圖（5）所示。圖（5）本實驗研究的鐵磁物質為環(huán)型和 EI型矽鋼片，N為勵磁繞組，n為用來測量磁感應強度B而設置的繞組。Ri為勵磁電流取樣電阻，設通過N的交流勵磁電流為ii，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強為:因為：h =U1，所以:圖（6）L為樣品的平均磁路長度（如圖6）Ni1 NH -U1L LR1（1）式中的N L、R均為已知常數(shù)，所以由U可確定H在交變磁場下，樣品的磁感應強度瞬時值B是測量繞組n和RQ電路給定的, 根據(jù)法拉第電磁感應定律，由于樣品中的磁通 的變化，在測量線圈中產(chǎn)生的感 生電動勢的大小為：LR1

10、(1)d半n _dt1dtn甲 1B2dtS nS(2)S為樣品的截面積 如果忽略自感電動勢和電路損耗，則回路方程為2 二 i2R2 U 2式中i2為感生電流，。為積分電容C2兩端電壓，設在-4時間內(nèi)，i2向電容C2的 充電電量為Q,貝QU2E所以,如果選取足夠大的R?和C2,使i2R2 -Q則:C2因為i dQ C dU2i2C2dtdt所以-C2R2dU(3)dt由(2)、(3)兩式可得：C2R2 B U2(4)nS上式中C2、艮、n和S均已知常數(shù)。所以由U2可確定B。綜上所述，將圖(4)中的U ( UH)和U (UB)分別加到示波器的“ X輸入” 和“丫輸入”便可觀察樣品的動態(tài)磁滯回；接

11、上數(shù)字電壓表則可以直接測出U(UH)和U2 (UB)的值，即可繪制出B H曲線，通過計算可測定樣品的飽和磁 感應強度Bs、剩磁Br、矯頑力He、磁滯損耗(BH )以及磁導率卩等參數(shù)。三、實驗內(nèi)容1、電路連接：選擇樣品2,按實驗儀上所給的電路接線圖連接好線路。開啟 儀器電源開關，調節(jié)勵磁電壓 U=0, UH和UB分別接示波器的“ X輸入”和“ 丫輸 入”。2、 樣品退磁：開啟儀器電源開關，對樣品進行退磁，順時針方向轉動電壓U 的調節(jié)旋鈕，觀察數(shù)字電壓表可看到U從0逐漸增加增至最大，然后逆時針方向轉動電壓U的調節(jié)旋鈕，將U逐漸從最大值調為0,這樣做目的是消除剩磁，確 保樣品處于磁中性狀態(tài)，即B =

12、 H 0，如圖(7)所示，3、觀察樣品在50H交流信號下的磁滯回線：開啟示波器電源，斷開時基掃描， 調節(jié)示波器上“ X”、“丫”位移旋鈕，使光點位于坐標網(wǎng)格中心，調節(jié)勵磁電壓 U 和示波器的X和丫軸靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)大小合適、美觀的磁滯回線圖形(若 圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖(8)所示，這時可降低U予以消除)。4、 測繪基本磁化曲線，并據(jù)此描繪曲線：接通實驗儀的電源，對樣品 進行退磁后，依次測定 U = 0，0.2，0.4，0.6 .3.0V 時的若干組H和B值， 作B - H曲線和J - H曲線。5、令U= 3.00V，觀測動態(tài)磁滯回線：從已標定好的示波器上讀取 U(Uh)、UY(U

13、b) 值(峰值)，計算相應的H和B，逐點描繪而成。再由磁滯回線測定樣品2的Bs，Br和He等參數(shù)。四、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理（1）作B H基本磁化曲線與-H曲線選擇不同的U值，分別記錄UX、UY并填入記錄表一。因為本實驗儀的輸出 UY = Ub, U = Uh,可先作出UY IX曲線如圖（9）。據(jù)公式：B=C2U2（其中 U2 二Ub 二Uy）nSH =N1=Ui （其中 UUh =Ux）L LR可分別計算出B和H，作出B H基本磁化曲線與- H曲線。表一（樣品2）U(V)0-6VX軸格數(shù) 乘靈敏度Ux(V)Y軸格數(shù) 乘靈敏度Uy (mV)H (A/m)Bb)A = B/H（亨利/米）0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0（2）動態(tài)磁滯回線的描繪在示波器熒光屏上調出美觀的磁滯回線， 測出磁滯回線不同點所對應的格數(shù), 然后將數(shù)據(jù)填入下表：X（格）-3.6-3.4-3-2.8-2.6-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2丫1（格）丫2格）X（格）-1011.61.822.22.42.633.4Yi（格）丫2（格）從上圖中可知：丫最大值即U2 （峰值），據(jù)此計算出磁性材料的飽和磁感應強