鐵磁材料的滯回線和基本磁化曲線實驗報告

1、南昌大學(xué)物理實驗報告課程名稱： 普通物理實驗（2） 實驗名稱： 鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線 學(xué)院：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號： 實驗地點：座位號： 實驗時間： 一、 實驗?zāi)康模?、 掌握用磁滯回線測試儀測繪磁滯回線的方法。2、了解鐵磁材料的磁化規(guī)律，用示波器法觀察磁滯回線比較兩種典型鐵磁物質(zhì)的動態(tài)磁化特性。3、測定樣品的磁化特性曲線（B-H曲線），并作-H曲線。4、測繪樣品在給定條件下的磁滯回線，估算其磁滯損耗以及相關(guān)HC、BR、BM、H、B的等參量。二、 實驗儀器：THMHC型智能磁滯回線測試儀、示波器。三、 實驗原理：1鐵磁材料的磁滯特性鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，用途廣泛的材料。鐵、鈷、

2、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，即磁導(dǎo)率很高。另一特征是磁滯，鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象是反復(fù)磁化過程中磁場強度H與磁感應(yīng)強度B之間關(guān)系的特性。即磁場作用停止后，鐵磁物質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)，圖1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之間的關(guān)系曲線。圖中的原點O表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即BHO，當(dāng)磁場強度H從零開始增加時，磁感應(yīng)強度B隨之從零緩慢上升，如曲線Oa，繼之B隨H迅速增長，如曲線ab所示，其后B的增長又趨緩慢，并當(dāng)H增至HS時，B達到飽和值BS這個過程的OabS曲線稱為起始磁化曲線。如果在達到飽和狀態(tài)之后使磁場強度H減小，這時磁感

3、應(yīng)強度B的值也要減小。圖1表明，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，對應(yīng)的B值比原先的值大，說明鐵磁材料的磁化過程是不可逆的過程。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，這種現(xiàn)象稱為磁滯。磁滯的明顯特征是當(dāng)HO時，磁感應(yīng)強度B值并不等于0，而是保留一定大小的剩磁Br。當(dāng)磁場反向從0逐漸變至HD，磁感應(yīng)強度B消失，說明要消除剩磁，可以施加反向磁場。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，曲線RD稱為退磁曲線。圖1還表明，當(dāng)磁場按HSOHC-HSOHD'HS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)

4、強度B則沿閉合曲線SRDS'R'D'S變化，可以看出磁感應(yīng)強度B值的變化總是滯后于磁場強度H的變化，這條閉合曲線稱為磁滯回線。當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場中時（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。磁滯是鐵磁材料的重要特性之一，研究鐵磁材料的磁性就必須知道它的磁滯回線。各種不同鐵磁材料有不同的磁滯回線，主要是磁滯回線的寬、窄不同和矯頑力大小不同。當(dāng)鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時將會發(fā)熱，要消耗額外的能量，因為反復(fù)磁化時磁體內(nèi)分子的狀態(tài)不斷改變，所以分子振動加劇，溫度升高。使分子振動加劇的能量是產(chǎn)生磁場的交流電源供給的，并以熱的形式從鐵磁材料中釋放

5、，這種在反復(fù)磁化過程中能量的損耗稱為磁滯損耗，理論和實踐證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。當(dāng)初始狀態(tài)為HBO的鐵磁材料，在交變磁場強度由弱到強依次進行磁化，可以得到面積由小到大向外擴張的一簇磁滯回線，如圖2所示，這些磁滯回線頂點的連線稱為鐵磁材料的基本磁化曲線。圖1 鐵磁質(zhì)起始磁化圖2 同一鐵磁材料的 曲線和磁滯回線一簇磁滯回線圖3 不同鐵磁材料的磁滯回線可以說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)，圖3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?。?lt;102A/m）、剩磁和磁滯損耗均較小，磁滯特性不顯著，可以近似地用它的起始磁化曲線來表示其磁化特性，這

6、種材料容易磁化，也容易退磁，是制造變壓器、繼電器、電機、交流磁鐵和各種高頻電磁元件的主要材料。而硬磁材料的磁滯回線較寬，矯頑力大（>102A/m），剩磁強，磁滯回線所包圍的面積肥大，磁滯特性顯著，因此硬磁材料經(jīng)磁化后仍能保留很強的剩磁，并且這種剩磁不易消除，可用來制造永磁體。2測繪磁滯回線原理觀察和測量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖4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)置的繞組。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，樣品的磁場強度：H=NiL L為樣品的平均磁路圖4 磁滯回線實驗線路因為i=U1R1所以H=HLR1U1

7、（1）式（1）中的N、L、R1均為已知常數(shù)，磁場強度H與示波器X輸入U1成正比，所以由U1可確定H。在交變磁場下，樣品的磁感應(yīng)強度瞬時值B是由測量繞組n和R2C2電路確定的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通的變化，在測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為2=nddt(2)=1n2dtB=S=1nS2dt式中S為樣品的橫截面積?？紤]到測量繞組n較小，如果忽略自感電動勢和電路損耗，則回路方程為：2=i2r2+U2式中i2為感生電流，U2為積分電容C2兩端電壓。設(shè)在t時間內(nèi)，i2向電容C2的充電電量為Q，則U2=QC2所以2=i2R2+QC2如果選取足夠大的R2和C2，使得i2R2>>

8、;QC2，則上式可以近似改寫為2=i2R2因為i2=dQdt=C2dU2dt所以2=C2R2dU2dt（3）將（3）式兩邊對時間t積分，代入（2）式可得B=C2R2nsU2（4）式中C2、R2、n和s均為已知常數(shù)。磁場強度B與示波器Y輸入U2成正比，所以由U2可確定B。在交流磁化電流變化的一個周期內(nèi)，示波器的光點將描繪出一條完整的磁滯回線，并在以后每個周期都重復(fù)此過程，這樣在示波器的熒光屏上可以看到穩(wěn)定的磁滯回線。綜上所述，將圖5中的U1和U2分別加到示波器的“X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品的BH曲線；如將U1和U2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、

9、磁滯損耗BH以及磁導(dǎo)率µ等參數(shù)。四、 實驗內(nèi)容：（1）電路連接：選樣品1按實驗儀上所給的電路圖連接線路，并令R12.5，“U選擇”置于O位。UH和UB（即U1和U2）分別接示波器的“X輸入”和“Y輸入”，插孔為公共端；圖5 退磁示意圖圖6 U2和B的相位差等因素引起的畸變（2）樣品退磁：開啟實驗儀電源，對試樣進行退磁，即順時針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕，令U從0增至3V，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，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即BH0，如圖5所示；（3）觀察磁滯回線：開啟示波器電源，調(diào)節(jié)示波器，令光點位于熒光屏坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令U2.2V，并分別調(diào)節(jié)示波器x和

10、y軸的靈敏度，使熒光屏上出現(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6所示，這時可降低勵磁電壓U予以消除）。記錄下，各點坐標(biāo)值，用div表示。（磁滯回線居中）；注意：磁滯回線應(yīng)盡量大些，以減小熒光屏讀數(shù)相對誤差。（4）觀察基本磁化曲線，按步驟2對樣品進行退磁，從U0開始，逐檔提高勵磁電壓，將在熒光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，記錄下各電壓下相應(yīng)，的坐標(biāo)值，用div表示。注意：實驗過程中不能改變示波器x和y軸的靈敏度。（5）換樣品2，重復(fù)上述步驟，并觀察、比較樣品1和樣品2磁化性能的不同。五、 實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：

11、（1）-H曲線及磁化特性曲線R=2.5U/VUH/mVH/104Am-1UB/mVB/102T(=B/H)/(H/m)0.51820.00640.80.0680.11211.03660.012670.1120.09151.24600.015800.1330.08701.56750.0231020.1700.07561.89500.0321140.1900.06002.010300.0341240.2070.06022.213200.0441300.2170.04922.515600.0521420.2370.04552.818100.0601500.2500.04143.020400.0681070.1780.0262（2）磁滯回線（U=2.5V 、 R=2.5）序號UH/mVUB/mV序號UH/mVUB/mV115601429-1560-142270010010-700-1003075110-754-2005012200-505-30001330006-400-5014400507-1000-110151000110