用示波器觀察鐵磁材料的動態(tài)磁滯回線_實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、用示波器觀察鐵磁材料動態(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(jī)、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。磁滯回線是反映鐵磁材料磁性的重要特征曲線。矯頑力和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩磁Br P等參數(shù)均可以從磁滯回線上獲得.這些參數(shù)是鐵磁材料研制、生產(chǎn)、應(yīng)用是的重要依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】磁滯回線 示波器 電容 電阻 Bm Hm Br H【引言】鐵磁物質(zhì)的磁滯回線能夠反映該物質(zhì)的很多重要性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)

2、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)的處理得出動態(tài)磁滯回線的大致圖線?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 認(rèn)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(shí)驗(yàn)儀器】電阻箱(兩個(gè)),電容(3-5微法)，數(shù)字萬用表，示波器，交流電源，互感器。【實(shí)驗(yàn)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)。其特征是在外磁場作用下能被強(qiáng)烈磁化，故磁導(dǎo)率很高。另一特征是磁滯，即磁化場

3、作用停止后，鐵磁質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)，圖1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。圖中的原點(diǎn)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H從零開始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，B到達(dá)飽和值BS，oabs稱為起始磁化曲線。圖1表明，當(dāng)磁場從HS逐漸減小至零，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到“O”點(diǎn)，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，磁滯的明顯特征是當(dāng)HO時(shí)，B不為零，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場反向從O逐漸

4、變至HD時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)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還表明，當(dāng)磁場按HSOHD-HSOHD´HS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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)鐵磁材料處于交變磁場中時(shí)（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與H并系曲

5、線 應(yīng)該說明，當(dāng)初始態(tài)為HBO的鐵磁材料，在交變磁場強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次進(jìn)行磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線，如圖2所示，這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱為鐵磁材料的基本磁化曲線，由此可近似確定其磁導(dǎo)率，因B與H非線性，故鐵磁材料的不是常數(shù)而是隨H而變化（如圖3所示）。鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬，這一特點(diǎn)是它用途廣泛的主要原因之一。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(jī)、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(qiáng)，可用來制造永磁體。

6、 觀察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(lì)磁繞組，n為用來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B而設(shè)置的繞組。R1為勵(lì)磁電流取樣電阻，設(shè)通過N的交流勵(lì)磁電流為i，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強(qiáng) L為樣品的平均磁路 （1）(1)式中的N1、L、均為已知常數(shù)，所以由可確定H。 在交變磁場下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)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。如果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t時(shí)間內(nèi)，i2向電容的充電電量為Q，則 如果

7、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可確定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”便可觀察樣品的BH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(qiáng)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】一 根據(jù)線圈阻值估計(jì)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(jì)算線圈的橫

8、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R12.5。UH和UB分別接示波器的“X輸入”和“Y輸入”。2. 樣品退磁：開啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對試樣進(jìn)行退磁，即順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕，令U從0增至10V，然后逆時(shí)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)，如圖6所示。圖6 退磁示意圖 圖7 UB和B的相位差等因素引起的畸變3. 觀察磁滯回線：開啟示波器電源，調(diào)至X-Y方式，且X輸入端和Y輸入端都為“DC”。令光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令U6.0V，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

9、出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖7所示，這時(shí)可降低勵(lì)磁電壓U予以消除）。4. 觀察基本磁化曲線，按步驟2對樣品進(jìn)行退磁，從U0開始，逐檔提高勵(lì)磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大一個(gè)套一個(gè)的一簇磁滯回線。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線就是樣品的基本磁化曲線，借助長余輝示波器，便可觀察到該曲線的軌跡。5. 測繪H曲線：仔細(xì)閱讀測試儀的使用說明，接通實(shí)驗(yàn)儀和測試儀之間的連線。開啟電源，對樣品進(jìn)行退磁后，依次測定U0.5，1.03.0V時(shí)的十組Hm和Bm值，作H曲線。7. 令U=11.0V，R12.5測定樣品1的BS,Rr,HD,WBH,等參數(shù)。8. 取步驟7中的H和其相應(yīng)的B值，用坐標(biāo)紙繪制BH曲線（如何取數(shù)？取多

10、少組數(shù)據(jù)？自行考慮），并估算曲線所圍面積?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】一 根據(jù)線圈阻值估計(jì)線圈匝數(shù)。已知0.5mm直徑的漆包線每米長度對應(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(lì)磁繞組N1(砸)：180 測量繞組N2(砸)：65 平均磁路L(mm)：50電容C(F)：4.3 電阻R1()：2.5 電阻R2(k)：60 截面S(mm2)： 200U（V）2hm（mV）2bm(mV)hm(mV)bm(mV)U1(mV)I1(mA)4.0302.0298.030

11、2.5104.5104.0102.0300.83103.5095.0138.005.0369.0371.5370.0132.5134.2134.0370.17133.57115.046.006.0441.0442.5442.0163.0168.0166.0441.83165.67137.054.807.0524.0521.0522.0193.0192.0192.0522.33192.33162.064.808.0592.0595.0592.0212.5214.0212.0593.0212.83183.673.449.0670.0672.0672.0237.0234.5232.5671.3323

12、4.33208.183.2410.0758.0752.0760.0253.5257.0257.0756.67255.83235.594.2011.0826.0821.0820.0263.0264.5266.0822.33264.50256.5102.6利用上表，根據(jù)hm與bm等數(shù)據(jù)求出Hmi與Bmi，如下：Hmi=N1hmi/LR1 Bmi=R2C2bmi/N2S其中:N1=180 , N2=65 , L=50mmU（V）hm(mV)bm(mV)Hm（A/m）Bm（T）4.0300.83103.50433.200.20545.0370.17133.57533.040.26516.0441.83

13、165.67636.240.32887.0522.33192.33752.160.38178.0593.0212.83853.920.42249.0671.33234.33966.720.465110.0756.67255.831089.600.507711.0822.33264.501184.160.5249當(dāng)路端電壓為11.0V時(shí),磁滯回線包圍的面積不再增大,達(dá)到飽和磁滯回線.如下圖，此時(shí)：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【誤差分析及改進(jìn)】實(shí)驗(yàn)中誤差的來源主要是一：線圈本身有內(nèi)阻，使得數(shù)據(jù)處理過程中對R1的處理偏小，使最終計(jì)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(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)的缺失，利用估算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理會有一定的偏差。改進(jìn)方法：可以利用低電阻測量阻值的方法，利用開爾文電橋法通直流電源然后測量線圈的確切阻值，從而利用線圈估算線圈匝數(shù)的時(shí)候也可以精確一些。【實(shí)驗(yàn)過程中現(xiàn)象的討論及應(yīng)注意的問題】在實(shí)驗(yàn)過程中注意到：隨著電源頻率的增加，磁滯回線逐漸變化，最終當(dāng)電源頻率超過1kz時(shí)，磁滯回線會變成橢圓，這表明鐵磁介質(zhì)的磁化特性隨著磁化信號