用示波器觀測鐵磁材料的

1、實驗十三 鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線的測量鐵磁物質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的材料。如航天、通信、自動化儀表及控制等都無不用到鐵磁材料（鐵、鈷、鎳、鋼以及含鐵氧化物均屬鐵磁物質(zhì)）。因此，研究鐵磁材料的磁化性質(zhì)，不論在理論上，還是在實際應(yīng)用上都有重大的意義。通過實驗研究這些性質(zhì)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繪方法，而且能從理論和實際應(yīng)用上加深對材料磁特性的認(rèn)識。實驗?zāi)康?、掌握磁滯、磁滯回線和磁化曲線的概念，加深對鐵磁材料的主要物理量：矯頑力、剩磁和磁導(dǎo)率的理解。2、學(xué)會用示波法測繪基本磁化曲線和磁滯回線。3、根據(jù)磁滯回線確定磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁和矯頑力的數(shù)值。

2、4、研究不同頻率下動態(tài)磁滯回線的區(qū)別。5、研究不同磁性材料磁滯回線形狀的變化。實驗原理1、磁化曲線如果在通電線圈產(chǎn)生的磁場中放入鐵磁物質(zhì)，則磁場將明顯增強(qiáng)，此時鐵磁物質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度比單純由電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大百倍，甚至在千倍以上。鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度有如下的關(guān)系： 對于鐵磁物質(zhì)而言，磁導(dǎo)率并非常數(shù)，而是隨的變化而改變的物理量，即，為非線性函數(shù)。所以如圖1所示，與也是非線性關(guān)系。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)，這時若在鐵磁材料上加一個由小到大的磁化場，則鐵磁材料內(nèi)部的磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之變大，其變化曲線如1所示。但當(dāng)增加到一定值后，幾乎不再隨的增加

3、而增加，說明磁化已達(dá)飽和，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。如圖1中的段曲線所示。2、磁滯回線當(dāng)鐵磁材料的磁化達(dá)到飽和之后，如果將磁化場減少，則鐵磁材料內(nèi)部的和也隨之減少，但其減少的過程并不沿著磁化時的段退回。從圖2可知當(dāng)磁化場撤消，時，磁感應(yīng)強(qiáng)度仍然保持一定數(shù)值稱為剩磁（剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度）。若要使被磁化的鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度減少到0，必須加上一個反向磁場并逐步增大。當(dāng)鐵磁材料內(nèi)部反向磁場強(qiáng)度增加到時（圖2上的c點），磁感應(yīng)強(qiáng)度才等于，達(dá)到退磁。圖2中的的段曲線稱作退磁曲線，為矯頑磁力。如圖2所示，當(dāng)按Hc的順序變化時，相應(yīng)沿順序變化。圖中的段曲線稱作起始磁化曲線，所形成的

4、封閉曲線稱為磁滯回線。曲線段稱為退磁曲線。由圖2可知：（1）當(dāng)時，這說明鐵磁材料還殘留一定值的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通常稱為鐵磁物質(zhì)的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（簡稱剩磁）（2）若要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，即，必須加一個反方向磁場。這個反向磁場強(qiáng)度(有時用其絕對值表示)，稱為該鐵磁材料的矯頑磁力。（3）的變化始終落后于的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。（4）上升與下降到同一數(shù)值時，鐵磁材料內(nèi)的值并不相同，退磁化過程與鐵磁材料過去的磁化經(jīng)歷有關(guān)。（5）當(dāng)從初始狀態(tài)，開始周期性地改變磁場強(qiáng)度的幅值時，在磁場由弱到強(qiáng)地單調(diào)增加過程中，可以得到面積由小到大的一簇磁滯回線，如圖3所示。其中最大面積的磁滯回線稱為極限磁滯回線。（6）由

5、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，首先必須將鐵磁材料預(yù)先退磁，以保證外加磁場，；其次，磁化電流在實驗過程中只允許單調(diào)增加或減少，不能時增時減。在理論上，要消除剩磁，只需通一反向磁化電流，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑磁力即可。實際上，矯頑磁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(dá)到磁飽和，然后不斷改變磁化電流的方向，與此同時逐漸減少磁化電流，直到等于零。則該材料的磁化過程中就會出現(xiàn)一連串面積逐漸縮小而最終趨于原點的環(huán)狀曲線，如圖4所示。當(dāng)減小到零時，亦同時降為零，達(dá)到完全退磁。實驗表明，經(jīng)過多次反復(fù)

6、磁化后，的量值關(guān)系形成一個穩(wěn)定的閉合的“磁滯回線”。通常以這條曲線來表示該材料的磁化性質(zhì)。這種反復(fù)磁化的過程稱為“磁鍛煉”。本驗使用交變電流，所以每個狀態(tài)都是經(jīng)過充分的“磁鍛煉”，隨時可以獲得磁滯回線。我們把圖3中原點O和各個磁滯回線的頂點所連成的曲線，稱為鐵磁性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相同的。為了使樣品的磁特性可以重復(fù)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)（，）開始，在測量前必須進(jìn)行退磁，以消除樣品中的剩余磁性。在測量基本磁化曲線時，每個磁化狀態(tài)都要經(jīng)過充分的“磁鍛煉”。否則，得到的曲線即為開始介紹的起始磁化曲線，兩者不可混淆。3、示波器顯示曲線的原理線

7、路示波器測量曲線的實驗線路如圖5所示。本實驗研究的鐵磁物質(zhì)是字形鐵芯試樣（如圖6所示）。在式樣上繞有勵磁線圈匝和測量線圈匝。若在線圈N1中通過磁化電流時，此電流在試樣內(nèi)產(chǎn)生磁場，根據(jù)安培環(huán)路定律 ，磁場強(qiáng)度的大小為： （131） 其中為的字形鐵芯試樣的平均磁路長度。（在圖6中用虛線表示）。 由圖5可知示波器(X)軸偏轉(zhuǎn)板輸入電壓為： （132）由式（1）和式（2）得： （133）上式表明在交變磁場下，任一時刻電子束在軸的偏轉(zhuǎn)正比于磁場強(qiáng)度。為了測量磁感應(yīng)強(qiáng)度，在次級線圈上串聯(lián)一個電阻與電容構(gòu)成一個回路，同時與又構(gòu)成一個積分電路。取電容兩端電壓至示波器()軸輸入，若適當(dāng)選擇和，使 ，則：式中，為

8、電源的角頻率，為次級線圈的感應(yīng)電動勢。因交變的磁場在樣品中產(chǎn)生交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度，則：(式中 為鐵芯試樣的截面積，設(shè)鐵芯的寬度為，厚度為)則： （134）上式表明接在示波器軸輸入的正比于。電路在電子技術(shù)中稱為積分電路，表示輸出的電壓是感應(yīng)電動勢對時間的積分。為了如實地繪出磁滯回線，要求：（1）。（2）在滿足上述條件下，振幅很小，不能直接繪出大小適合需要的磁滯回線。為此，需將經(jīng)過示波器軸放大器增幅后輸至軸偏轉(zhuǎn)板上。這就要求在實驗磁場的頻率范圍內(nèi)，放大器的放大系數(shù)必須穩(wěn)定，不會帶來較大的相位畸變。事實上示波器難以完全達(dá)到這個要求，因此在實驗時經(jīng)常會出現(xiàn)如圖7所示的畸變。觀測時將軸輸入選擇“”，軸輸入

9、選擇“”檔，并選擇合適的和的阻值可得到最佳磁滯回線圖形，避免出現(xiàn)這種畸變。這樣，在磁化電流變化的一個周期內(nèi)，電子束的徑跡描出一條完整的磁滯回線。適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器和軸增益，再由小到大調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓，即能在屏上觀察到由小到大擴(kuò)展的磁滯回線圖形。逐次記錄其正頂點的坐標(biāo)，并在坐標(biāo)紙上把它聯(lián)成光滑的曲線，就得到樣品的基本磁化曲線。4、示波器的定標(biāo)從前面說明中可知從示波器上可以顯示出待測材料的動態(tài)磁滯回線，但為了定量研究磁化曲線和磁滯回線，必須對示波器進(jìn)行定標(biāo)。即還須確定示波器的軸的每格代表多少值（），軸每格實際代表多少。一般示波器都有已知的軸和軸的靈敏度，可根據(jù)示波器的使用方法，結(jié)合實驗使用的儀

10、器就可以對軸和軸分別進(jìn)行定標(biāo)，從而測量出值和值的大小。設(shè)軸靈敏度為，軸的靈敏度為（上述和均可從示波器的面板上直接讀出），則： 式中，分別為測量時記錄的坐標(biāo)值（單位：格，注意，指一大格）由于本實驗使用的都是阻抗值已知的標(biāo)準(zhǔn)元件，誤差很小，其中的為無感交流電阻，的介質(zhì)損耗非常小。所以綜合上述分析，本實驗定量計算公式為： （135） （136）式中各量的單位：單位是 ；單位是；單位是 ；單位是；單位是；，單位是格；的單位是；的單位是。實驗儀器 磁滯回線測量儀、示波器實驗內(nèi)容注意：實驗前先熟悉實驗的原理和儀器的構(gòu)成。使用儀器前先將信號源輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕逆時針到底（多圈電位器），使輸出信號為最小。然后調(diào)

11、節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕，因為頻率較低時，負(fù)載阻抗較小，在信號源輸出相同電壓下負(fù)載電流較大，會引起采樣電阻發(fā)熱。一、顯示和觀察2種樣品在交流信號下的磁滯回線圖形。1、 按圖8所示線路接線。1）逆時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕到底，使信號輸出最小。2）調(diào)示波器顯示工作方式為方式，即圖示儀方式。3）示波器輸入為方式，測量采樣電阻的電壓。4）示波器輸入為方式，測量積分電容的電壓。5）用專用接線接通樣品1(或樣品2)的初級與次級（注：接地端儀器內(nèi)已連接）。6）接通示波器和型動態(tài)磁滯回線實驗儀電源，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器輝度，以免熒光屏中心受損。預(yù)熱10分鐘后開始測量。2、示波器光點調(diào)至顯示屏中心，調(diào)節(jié)實驗儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示

12、窗顯示。3、單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上B值增加緩慢，達(dá)到飽和。改變示波器上、輸入增益段開關(guān)并鎖定增益電位器（一般為順時針到底），調(diào)節(jié)的大小，使示波器顯示出典型美觀的磁滯回線圖形。4、單調(diào)減小磁化電流，即緩慢逆時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，直到示波器最后顯示為一點，位于顯示屏的中心，即X和Y軸線的交點，如不在中間，可適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器的和位移旋鈕，把顯示圖形移到顯示屏的中心。5、單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上值緩慢增加，達(dá)到飽和，改變示波器上、輸入增益波段開關(guān)和的值，示波器顯示典型美觀的磁滯回線圖形。磁化電流在水平方向上

13、的讀數(shù)為（）格。6、逆時針調(diào)節(jié)（幅度調(diào)節(jié)旋鈕到底），使信號輸出最小，調(diào)節(jié)實驗儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示窗分別顯示連續(xù)可調(diào)，重復(fù)上述的操作步驟，比較磁滯回線形狀的變化。表明磁滯回線形狀與信號頻率有關(guān)，頻率越高磁滯回線包圍面積越大，用于信號傳輸時磁滯損耗也大。7、更換實驗樣品，重復(fù)上述步驟，觀察時的磁滯回線。二、測磁化曲線和動態(tài)磁滯回線：1、在實驗儀樣品架上插好實驗樣品，逆時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕到底，使信號輸出最小。將示波器光點調(diào)至顯示屏中心，調(diào)節(jié)實驗儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示窗顯示。2、退磁。1）單調(diào)增加磁化電流，順時針緩慢調(diào)節(jié)信號幅度旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上值增加變得緩慢，達(dá)到飽和。改變示波器

14、上、輸入增益和的值，示波器顯示典型美觀的磁滯回線圖形。磁化電流在水平方向上的讀數(shù)為（）格，此后，保持示波器上、輸入增益波段開關(guān)和值固定不變并鎖定增益電位器（一般為順時針到底），以便進(jìn)行、的標(biāo)定。2）單調(diào)減小磁化電流，即緩慢逆時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，直到示波器最后顯示為一點，位于顯示屏的中心，即和軸線的交點，如不在中間，可調(diào)節(jié)示波器的和位移旋鈕。實驗中可用示波器、輸入的接地開關(guān)檢查示波器的中心是否對準(zhǔn)屏幕、坐標(biāo)的交點。3、磁化曲線（即測量大小不同的各個磁滯回線的頂點的連線）。單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，磁化電流在方向讀數(shù)為、，單位為格，記錄磁滯回線頂點在方向上讀數(shù)，如表13-1

15、，單位為格。磁化電流在X方向上的讀數(shù)為（）格時，示波器顯示典型美觀的磁滯回線圖形。此后，保持示波器上的、輸入增益波段開關(guān)和R1、R2值固定不變，并鎖定增益微調(diào)電位器（一般為順時針到底），以便進(jìn)行H、B的標(biāo)定。 4、動態(tài)磁滯回線在磁化電流方向上的讀數(shù)在（）格范圍時，記錄示波器顯示的磁滯回線在坐標(biāo)為、格時所對應(yīng)的坐標(biāo)，記入表格13-2 。顯然最大值對應(yīng)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 。，讀數(shù)對應(yīng)剩磁 。，讀數(shù)對應(yīng)矯頑力 。5、改變磁化信號的頻率，重復(fù)進(jìn)行上述實驗。數(shù)據(jù)處理1、 作磁化曲線：表13-1：測繪磁化曲線數(shù)據(jù)記錄表 序號123456789101112 00.200.400.600.801.001.502.

16、002.503.004.005.00000 由前所述，、的計算公式為：上述公式中，硅鋼片鐵芯實驗樣品和實驗裝置參數(shù)如下：、值根據(jù)儀器面板上的選擇值計算。對于樣品1(軟磁)。其中，為鐵芯實驗樣品平均磁路長度；為鐵芯實驗樣品截面積；為磁化線圈匝數(shù)；為副線圈匝數(shù)；為磁化電流采樣電阻，單位為；為積分電阻，單位為；為積分電容，單位為。為示波器軸靈敏度，單位；為示波器軸靈敏度，單位； 按表中數(shù)據(jù)作磁化曲線 。 樣品2（硬磁）數(shù)據(jù)表格與13-1相同，略。2、 作磁滯回線：表13-2：測繪磁滯回線數(shù)據(jù)記錄表 X（格）H (A/m)Y（格）B（mT）Y（格）B（mT）5.004.003.002. 001. 00