實驗C_磁化曲線和磁滯回線測量--大字--講稿

1、實驗C 磁化曲線和磁滯回線測量 磁性材料應(yīng)用廣泛，揚聲器永久磁鐵、變壓器鐵芯、計算機磁盤等都采用磁性材料。鐵磁材料分為硬磁和軟磁兩大類。硬磁材料的剩磁Br和矯頑力Hc大（102 2´104 A/m），可做永久磁鐵。軟磁材料的剩磁Br和矯頑力Hc?。?02 A/m以下），容易磁化和去磁，廣泛用于電機和儀表制造業(yè)。磁化曲線和磁滯回線是磁材料的重要特性，是變壓器等設(shè)備設(shè)計的重要依據(jù)。磁滯回線測量可分靜態(tài)法和動態(tài)法。靜態(tài)法是用直流來磁化材料，得到的BH曲線稱為靜態(tài)磁滯回線。動態(tài)法是用交變來磁化材料，得到的BH曲線稱為動態(tài)磁滯回線。靜態(tài)磁滯回線只與磁化磁場的大小有關(guān)，磁樣品中只有磁滯損耗；而動

2、態(tài)磁滯回線不僅與磁化磁場的大小有關(guān)，還與磁化場的頻率有關(guān)，磁樣品中不僅有磁滯損耗，還有渦流損耗。因此，同一磁材料在相同大小磁化場下，動態(tài)磁滯回線的面積比靜態(tài)磁滯回線大，損耗大。本實驗采用動態(tài)法測量軟磁樣品的動態(tài)磁滯回線和磁化曲線，測量曲線可連續(xù)或逐點顯示在LCD（液晶）屏上，直觀、簡便、物理過程清晰?！緦嶒?zāi)康摹?.了解磁滯回線和磁化曲線概念，加深對磁材料矯頑力、剩磁等參數(shù)的理解。2.掌握磁材料磁化曲線和磁滯回線的測量方法，確定Bs、Br和Hc等參數(shù)。3.探討勵磁電流頻率對動態(tài)磁滯回線的影響?！绢A(yù)備問題】1.為什么測磁化曲線先要退磁？2.為什么測量磁化曲線要進行磁鍛煉？3.為什么動態(tài)磁滯回線的

3、面積比靜態(tài)磁滯回線大，損耗大？補充資料：P2頁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，首先必須對鐵磁材料預(yù)先進行退磁，以保證外加磁場H0時，B0；其次，磁化電流在實驗過程中只允許單調(diào)增加或減小，不可時增時減。退磁方法，從理論上分析，要消除剩磁B，只要通一反向電流，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑磁力就行了，實際上，矯頑磁力的大小通常并不知道，因此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，以至于零。那么該材料磁化過程是一連串逐漸縮小而最終趨向原點的環(huán)狀曲線，如圖1所示，當(dāng)H

4、減小到零時，B亦同時降到零，達到完全退磁?？梢?，在進行測量時，一般要先退磁，再進行“磁鍛煉”，然后進行正式測量。P2頁 為了穩(wěn)定閉合的磁滯回線，磁材料的每個磁化狀態(tài)都要反復(fù)磁化，這種反復(fù)磁化的過程稱為磁鍛煉。由于動態(tài)法測量磁化曲線采用交變電流，每個磁化狀態(tài)都經(jīng)過充分反復(fù)磁化的過程的磁鍛煉，才可得到穩(wěn)定閉合的磁滯回線。P1頁 靜態(tài)的磁滯回線所包圍的面積大小與磁滯損耗成正比，而實驗中用交流磁化所得的回線包圍的面積，不僅包括磁滯損耗，而且還包括渦流損耗，因此，動態(tài)的回線一般比靜態(tài)的要大一些。圖1初始磁化曲線【實驗儀器】FC10-II型智能磁滯回線實驗儀?！緦嶒炘怼?.鐵磁材料的磁化規(guī)律 (1) 初

5、始磁化曲線 圖2 磁滯回線在強度為H的磁場中放入鐵磁物質(zhì)，則鐵磁物質(zhì)被磁化，其磁感應(yīng)強度B與H的關(guān)系為：B = m H，m為磁導(dǎo)率。對于鐵磁物質(zhì)，不是常數(shù)，而是H的函數(shù)。如圖1所示，當(dāng)鐵磁材料從H=0開始磁化時，B隨H逐步增大，當(dāng)H增加到Hs時，B趨于飽和值Bs，Hs稱為飽和磁場強度。從未磁化到飽和磁化的這段磁化曲線OS，稱為初始磁化曲線。(2) 磁滯回線 如圖2所示，當(dāng)磁材料達到飽和磁化Bs后，如果將H減小，B也減小，但沿與OS不同的路徑ab返回。當(dāng)H=0時，B=Br，到達b點，Br稱為剩磁。欲使B=0，必須加反向磁場，當(dāng)H=-Hc，B=0（完全退磁），到達c點，bc段曲線稱為退磁曲線，Hc

6、稱為矯頑力。如果反向磁場繼續(xù)增大，磁性材料將反向磁化。當(dāng)H=-HS時，磁化達到反向飽和，B=-Bs，到達d點。此后若減小反向磁場使H=0，則B= -Br，到達e點；當(dāng)H=Hc時，B=0，到達f點；再次當(dāng)H=Hs時，B=Bs，回到正向飽和狀態(tài)a點。經(jīng)歷這樣一個循環(huán)后形成的閉合曲線abcdefa稱為磁滯回線。圖3 磁滯回線簇HS、BS、Br、Hc是磁滯回線的特征參數(shù)。剩磁r反映介質(zhì)記憶能力的大小，矯頑力Hc反映鐵磁材料是硬磁還是軟磁。磁性材料的磁化特性不僅與材料自身的性質(zhì)有關(guān)，還與材料形狀、磁化場頻率及波形有關(guān)。 圖4 退磁過程由于磁材料磁化過程的不可逆性及具有剩磁的特點，在實驗過程中磁化電流只允

7、許單調(diào)地增加或減少，不能時增時減。當(dāng)從初始狀態(tài)H =0、B =0開始周期性地改變H的大小和方向時，可以得到面積由大到小的磁滯回線簇，如圖3所示。圖3的原點0和各磁滯回線的頂點a1,a2,a3,，a所連成的曲線,就是初始磁化曲線。在測定初始磁化曲線時，首先必須將磁材料充分退磁，以保證每次都是從原始狀態(tài)（H =0，B =0）開始。退磁方法為：先用大磁化電流讓鐵磁材料飽和磁化，然后緩慢減小交變電流，利用逐漸衰減的交變電流對磁材料反復(fù)磁化，最后將電流調(diào)為零，重復(fù)23次即可完全退磁。退磁回線是一串面積逐漸縮小而最終趨于原點0的環(huán)狀曲線，如圖4所示。為了得到穩(wěn)定閉合的磁滯回線，磁材料的每個磁化狀態(tài)都要反復(fù)

8、磁化，這種反復(fù)磁化的過程稱為磁鍛煉。由于動態(tài)法測量磁化曲線采用交變電流，每個狀態(tài)都經(jīng)過充分的磁鍛煉，所以可隨時測得穩(wěn)定閉合的磁滯回線。2.實驗原理 圖5 測量原理 如圖5所示，待測樣品為磁環(huán)，磁環(huán)的勵磁線圈匝數(shù)為N1，測量磁環(huán)磁感應(yīng)強度B的測量線圈匝數(shù)為N2。R1為勵磁電流的取樣電阻，R2為積分電阻，C為積分電容。在線圈N1中通入磁化電流I1，根據(jù)安培環(huán)路定律，磁環(huán)中產(chǎn)生的磁場H為： （1）式中L為磁環(huán)樣品的平均磁路長度。取樣電阻R1的輸出電壓為： （2）由式（1）和式（2）得： （3）在式（3）中，N1、L、R1為已知常數(shù)，只要測出UH，就得到磁場強度H。設(shè)磁場H在磁環(huán)樣品中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度

9、為B，由電磁感應(yīng)原理可知，有效橫截面積為S2的測量線圈的磁通量=BN2S2，測量線圈產(chǎn)生的感生電勢為： （4）為了測量B，用R2C電路對感生電勢E2進行積分，選擇R2和C的數(shù)值使R2>>1/wC，w為勵磁電流的圓頻率（ 即角頻率2f ），則E2 » I2 R2，積分電容C的輸出電壓UB為： （5）由式（5）得： （6） 式（6）中，N2、C、S、R2為已知常數(shù)，只要測出UB，就得到磁場感應(yīng)強度B?！緦嶒瀮?nèi)容與步驟】圖6是FC10-II型智能磁滯回線實驗儀，包括樣品測試箱（有紅色和藍色兩個磁環(huán)樣品）和LCD智能測試儀兩個部分，LCD顯示屏可代替示波器直接顯示測量曲線和剩磁、

10、矯頑力等數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)及輸入?yún)?shù)可保存和隨時調(diào)用。其詳細使用方法見附錄1。1.選擇測試箱的磁樣品（紅色或藍色磁環(huán)）。紅色磁環(huán)為軟磁材料，藍色磁環(huán)為硬磁材料，它們的幾何參數(shù)相同：截面S=124mm2，平均磁路長度L=130mm，N1 =N2 =100匝。5. 5R1R2CN1N2LS圖6 FC10-II 型智能磁滯回線試驗儀 按圖6連線：將測試箱信號源的輸出端連到磁樣品的勵磁線圈輸入端，將磁樣品測量線圈的輸出端連到RC積分電路的輸入端，將測試箱UH和UB的輸出端分別接到LCD智能測試儀的UH (X)和UB (Y)的輸入端，并將它們的接地端相連。2.選取測試箱元件參數(shù)。取樣電阻R1=5.5 W，積

11、分電阻R2=30KW，積分電容C = 3.0mF，保證R2>>1/wC。注意：R2不能小于10 KW，C不能小于1.0mF，否則磁滯回線會畸變。3.觀察磁滯回線簇和初始磁化曲線 （1）接通實驗儀電源，選取勵磁信號源的幅度和頻率。勵磁信號源為正弦波，頻率在20200Hz連續(xù)可調(diào)，并由4位數(shù)碼管顯示，幅度可用波段開關(guān)分檔可調(diào)。選取正弦信號的頻率（如50Hz），幅度波段開關(guān)放合適位置（如I檔）。（2）用LCD智能測試儀觀測磁滯回線簇和初始磁化曲線 打開LCD智能測試儀的電源后，LCD顯示初始界面，屏幕右下角顯示“F S ”字符，表示目前可以響應(yīng)“S/預(yù)置”鍵和“F/采樣間隔”鍵，其他按鍵

12、目前暫不能響應(yīng)。說明：按鍵上的“數(shù)字”或“字母”代表該鍵編號，按鍵上的“漢字或+1/-1”代表該鍵的功能。 按“S/預(yù)置”鍵：通過“ 0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”鍵來設(shè)置“取樣電阻R1、積分電阻R2、積分電容C”參數(shù)，以便微電腦可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算B或H值，描繪磁滯回線或磁化曲線。磁樣品的“L、橫截面積S、勵磁線圈匝數(shù)N1、測量線圈匝數(shù)N2”已經(jīng)預(yù)置好，不要修改。參數(shù)設(shè)置好后，按“D/確定”鍵，保存設(shè)置參數(shù)。此時LCD上顯示B-H直角坐標(biāo)軸。 按“5/回線簇”鍵：自動測量并顯示一條與勵磁正弦信號幅度相對應(yīng)的磁滯回線。依次將勵磁正弦信號的幅度波段開關(guān)調(diào)至II檔、III檔，則

13、自動測量并顯示面積逐次增大的其他磁滯回線，得到磁滯回線簇（共測6條磁滯回線），將原點0與各磁滯回線的頂點a1,a2,a3,，a相連,得到初始磁化曲線。觀察并記錄這些磁滯回線的形狀與特征，以便與后面逐點測量的磁滯回線比較。4.逐點測量初始磁化曲線 （1）將勵磁正弦信號的頻率調(diào)為50Hz，幅度波段開關(guān)調(diào)至0檔，從退磁狀態(tài)開始測量。（2）按“D/確定”鍵，結(jié)束當(dāng)前操作。（3）按“4/起始磁化曲線”鍵：測量并顯示與勵磁正弦信號幅度相對應(yīng)的起始磁化曲線的一個點及B、H值，將B、H值記錄到數(shù)據(jù)表1（自擬）；然后將勵磁正弦信號的幅度波段開關(guān)調(diào)至I檔，按“4/起始磁化曲線”鍵，則顯示磁化曲線的第2個點和B、H

14、值，記錄B、H值；依次方法逐步增大勵磁正弦信號幅度直到磁化曲線飽和，從而得到起始磁化曲線。將所有點的B、H值記錄到數(shù)據(jù)表1。畫出LCD屏上的初始磁化曲線，以作數(shù)據(jù)處理時參考。注意：如果漏記了前面某個測量點的B、H值，可以按“7/逐點查詢”鍵來查詢。每按1次該鍵，從磁滯回線右上角開始按選擇的步長和逆時針方向，LCD屏上用“加亮”方式顯示該點，并顯示該點的B和H值。（4）將勵磁正弦信號的頻率調(diào)為100Hz，重復(fù)上述操作，再測另一條初始磁化曲線，與50Hz初始磁化曲線進行比較。表1 （硬磁材料）初始磁化曲線的測量數(shù)據(jù)表50HzH（×3.75×103A/m）0B（×10-

15、5T）75HzH（×3.75×103A/m）0B（×10-5T）5.逐點測量磁滯回線 （1）按“D/確定”鍵，結(jié)束當(dāng)前操作。（2）將勵磁正弦信號的頻率調(diào)為50Hz，幅度波段開關(guān)調(diào)至飽和磁化幅度（如IX檔）。（3）按“6/逐點測量”鍵：LCD屏顯示磁滯回線右上角的一點和B、H值，將B、H值記錄到數(shù)據(jù)表2（自擬）。再按一次“6/逐點測量”鍵，按默認的步長、逆時針方向測量并顯示磁滯回線第二個點和B、H值，記錄B、H值。不斷按“6/逐點測量”鍵，直到得到一條完整的磁滯回線，將所有點的B、H值記錄到數(shù)據(jù)表2中。畫出LCD屏上的磁滯回線，讀出HS、BS、Br、Hc值，以作數(shù)據(jù)

16、處理時參考。表2 （50Hz時）逐點測量磁滯回線的測量數(shù)據(jù)表H（×3.75×103A/m）B（×10-5T）H（×3.75×103A/m）B（×10-5T）H（×3.75×103A/m）B（×10-5T）H（×3.75×103A/m）B（×10-5T）注意：（1）如果LCD顯示的磁滯回線頂部出現(xiàn)編織狀小環(huán)，則可減小勵磁信號幅度消除。(2)如果LCD顯示的磁滯回線大小不合適，可以通過“8/B縮小”鍵、“9/B放大”鍵、“A/H放大”鍵、“X/H縮小“鍵在“B坐標(biāo)方向”或“H坐標(biāo)

17、方向”放大或縮小磁滯回線。（3）如果漏記了前面某個測量點的B、H值，可以按“7/逐點查詢”鍵來查詢。每按1次該鍵，從磁滯回線右上角開始按選擇的步長和逆時針方向，LCD屏上用“加亮”方式顯示該點，并顯示該點的B和H值。（4）將勵磁正弦信號的頻率調(diào)為100Hz，重復(fù)上述操作，再測一條磁滯回線，與50Hz磁滯回線進行比較?！緮?shù)據(jù)處理】1.根據(jù)逐點測量的初始磁化曲線數(shù)據(jù)表，同一坐標(biāo)紙上畫出50Hz與100Hz勵磁信號的初始磁化曲線，并討論兩條初始磁化曲線的異同與原因。2.根據(jù)逐點測量的磁滯回線數(shù)據(jù)表，在與初始磁化線同一坐標(biāo)紙上畫出50Hz與100Hz勵磁信號的磁滯回線，并從曲線上確定飽和磁感應(yīng)強度BS

18、、剩余磁感應(yīng)強度Br和矯頑力HC。討論兩條初始磁滯回線的異同與原因。【思考題】1.在測量磁滯回線下降段曲線時，勵磁電流先從0.55A變到了0.25A測量，如果想補測0.40A這點，能否將電流直接從0.25A調(diào)回0.40A測量，然后再從0.40A調(diào)到0.10A繼續(xù)測量，為什么？由于磁材料磁化過程的不可逆性及磁材料具有剩磁的特點，以及磁化狀態(tài)與磁化歷史有關(guān)，磁滯回線又與其起始端點的磁化狀態(tài)有關(guān)。因此，在測同一條磁滯回線時，磁化電流只允許單調(diào)地增加或減少，不能時增時減，即勵磁電流必須沿同一個方向單調(diào)增大或減小，不允許突然改變增減方向。圖7 實驗測量曲線2.在電流步進法測圖7所示的磁滯回線時，若在勵磁

19、電流為正向飽和電流IS時突然斷開測試儀電源，此時鐵磁材料的剩磁為多少？（ 1.0×10-5T）【附錄1】 FC10-II型智能磁滯回線實驗儀的使用方法 FC10-II型智能磁滯回線實驗儀包括樣品測試箱和LCD智能測試儀兩個部分。1.樣品測試箱(面板如附圖1所示) 附圖1 樣品測試箱面板(1)勵磁信號源：正弦波，頻率連續(xù)可調(diào)20200Hz連續(xù)可調(diào)，4位數(shù)碼管顯示，幅度可用波段開關(guān)分10檔可調(diào)。(2)采樣電阻R1：二盤電阻箱：（010）´(1+0.1)W，步長0.1W。(3)積分電阻R2：二盤電阻箱：（010）´(10+1)kW，步長1kW。(4)積分電容C：二盤電容

20、箱：（010）´(1+0.1)mF，步長0.1mF。(5)紅色磁環(huán)為軟磁材料，藍色磁環(huán)為硬磁材料.截面S=124mm2，平均磁路長度L=130mm，N1 =N2 =100匝。2. LCD智能測試儀(面板如附圖2所示) （1）功能：微電腦控制，240´128點陣LCD顯示，觸式鍵盤開關(guān)；自動連續(xù)和逐點步進測量磁環(huán)樣品的用初始磁化曲線和動態(tài)磁滯回線，測量步長可設(shè)置；由示波器和點陣LCD顯示曲線和和剩磁、矯頑力等參數(shù)；實驗數(shù)據(jù)及輸入?yún)?shù)可保存和隨時調(diào)用；通過改變勵磁信號的幅度，自動測量并在LCD顯示磁滯回線簇（110條磁滯回線）；LCD顯示的曲線可通過按鍵放大或縮小；在測量過程中

21、，能自動調(diào)節(jié)坐標(biāo)的顯示范圍，以確保任何測量點均顯示在LCD內(nèi)；可通過按鍵移動光標(biāo)逐點查詢磁滯回線的B或H值，并在磁滯回線上用“加亮”方式顯示該點。（2）鍵盤功能 鍵面標(biāo)注“0-9”數(shù)字/“中文”或“A-X”字母/“中文”，其中“0-9”數(shù)字或”A-X”字母是該鍵的代碼，而“中文”表示該鍵的功能。附圖2 LCD智能測試儀面板“復(fù)位”鍵：LCD顯示“歡迎使用智能磁滯回線實驗儀，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院研制”，LCD右下方顯示可以響應(yīng)的按鍵代碼，如“S D”，表示當(dāng)前可響應(yīng)“S/預(yù)置”、“D/確定”鍵，其他鍵當(dāng)前暫不響應(yīng)。“S/預(yù)置”鍵：通過“ 0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”鍵來設(shè)置磁樣品“磁路長度、橫截面積、勵磁線圈匝數(shù)、測量線圈匝數(shù)”和“取樣電阻R1、積分電阻R2、積分電容C”等參數(shù)，以便微電腦可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算B或H值，描繪磁滯回線或磁化曲線。參數(shù)設(shè)置后，按“D/確定”鍵存貯設(shè)置參數(shù)?！癉/確