8《測磁滯回線》-用示波器觀測動(dòng)態(tài)磁滯回線講義(教705)重點(diǎn)講義匯總1

用示波器觀測動(dòng)態(tài)磁滯回線【實(shí)驗(yàn)簡介】磁性材料應(yīng)用廣泛，從常用的永久磁鐵、變壓器的鐵芯到錄音、錄像、計(jì)算機(jī)存儲用的磁帶、磁盤等都采用磁性材料。鐵磁材料是最常見和最常用的磁性材料。它分為硬磁和軟磁兩大類，其根本區(qū)別在于矯頑力的大小不同。硬磁材料的剩磁和矯頑力大，因而磁化后，其磁感應(yīng)強(qiáng)度可長久保持，適宜做永久磁鐵。軟磁材料的矯頑力小，但磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，容易磁化和去磁，故廣泛用于電機(jī)、變壓器、電器和儀表制造等工業(yè)部門。磁滯回線和磁化曲線反映了鐵磁材料的主要特征。本實(shí)驗(yàn)將采用動(dòng)態(tài)法測量磁滯回線。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆绽檬静ㄆ鳒y量鐵磁材料動(dòng)態(tài)磁滯回線的方法；了解鐵磁性材料的動(dòng)態(tài)磁化特性；了解磁滯、磁滯回線和磁化曲線的概念，加深對飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度、矯頑力等物理量的理解?！緦?shí)驗(yàn)儀器與用具】磁特性綜合測量實(shí)驗(yàn)儀（包括正弦波信號源，待測樣品及繞組，積分電路所用的電阻和電容）。雙蹤示波器，直流電源，電感，數(shù)字多用表。磁特性綜合測量實(shí)驗(yàn)儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：1）樣品1：錳鋅鐵氧體，圓形羅蘭環(huán)，磁滯損耗較小。平均磁路長度1=0.130m,鐵芯實(shí)驗(yàn)樣品截面積S=1.24x10-4m2,線圈匝數(shù)：N=150匝，N=150匝；N=150匝。1232）樣品2：EI型硅鋼片，磁滯損耗較大。平均磁路長度1=0.075m,鐵芯實(shí)驗(yàn)樣品截面積S=1.20x10-4m2,線圈匝數(shù)：N=150匝，N=150匝；N=150匝。1233）信號源的頻率在20?200Hz間可調(diào)；可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電阻R、R均為無感交流電阻，12R1的調(diào)節(jié)范圍為0.1?11Q；R2的調(diào)節(jié)范圍為1?110kQ。標(biāo)準(zhǔn)電容有0.1葉?11葉可選?！緦?shí)驗(yàn)原理】1．鐵磁材料的磁化特性把物體放在外磁場H中，物體就會(huì)被磁化。其內(nèi)部產(chǎn)生磁場。設(shè)其內(nèi)部磁化強(qiáng)度為M,磁感應(yīng)強(qiáng)度為5,可以定義磁化率x和相對磁導(dǎo)率從表示物質(zhì)被磁化的難易程度:mr其中，從是真空磁導(dǎo)率（R=4兀x10-7N/A2）。由于B=從（M+H），因此從=1+X。000rm物質(zhì)的磁性按磁化率可以分為抗磁性、順磁性和鐵磁性三種?？勾判晕镔|(zhì)的磁化率為負(fù)值,通常在10-5~10-6的量級,且?guī)缀醪浑S溫度變化；順磁性物質(zhì)的磁化率通常為10-2~10-4之間,且隨溫度線性增大；而鐵磁性物質(zhì)的磁化率通常大于1,且隨溫度增高而變小。鐵磁性材料主要是鐵、鈷、鎳及他們的合金和氧化物,以及稀土與過渡族元素組成的合金等。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率很高,常被用作電感、電磁鐵、變壓器的鐵芯材料,以增大線圈中的磁通量。除了磁導(dǎo)率高以外,鐵磁材料還具有特殊的磁化規(guī)律。對于一個(gè)處于磁中性狀態(tài)（H=0,且B=0）的鐵磁材料加上由小變大的磁場H進(jìn)行磁化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨H的變化曲線稱為起始磁化曲線，它大致分為三個(gè)階段：（1）可逆磁化階段，當(dāng)H很小時(shí)，B隨H變化可逆，見圖1中的OA段，若減小H,B會(huì)沿AO返回至原點(diǎn)；（2）不可逆磁化階段，見圖1中AS段，若減小H,B不會(huì)沿SA返回（比如當(dāng)磁場從D點(diǎn)的H減D小到H-AH,再從H-AH增大到H,B-H軌跡會(huì)是圖中點(diǎn)線所示的回線樣式）;DDD（3）飽和磁化階段，見圖1中SC段，在S點(diǎn)材料已經(jīng)被磁化至飽和狀態(tài)，繼續(xù)增大H,磁化強(qiáng)度M不再增大，由于B=從（M+H）,B會(huì)隨H線形增大，但增量極小。圖中H0S和B表示M剛剛達(dá)到飽和值時(shí)的H和B的值，分別稱為飽和磁場強(qiáng)度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)S度。如果將鐵磁材料磁化到飽和狀態(tài)（圖1中S點(diǎn)）后再減小磁場H,那么磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)隨H減小而減小，但并不沿起始磁化曲線SAO減小，而是沿著SP這條更緩慢的曲線減小。當(dāng)H減小到0時(shí)，B并不為0，H稱為矯頑力H。當(dāng)反向磁場達(dá)到-H，鐵磁材料達(dá)到反向飽和磁化狀態(tài)S'。而若H從反向飽和值-Hs變到0，再增大至正向飽和值Hs時(shí)，B會(huì)沿曲線SPQS返回至正向飽和值B。曲線SPQS與SPQS'以原點(diǎn)o成中心s對稱，它們形成的閉合曲線SPQS'PCS叫做飽和磁滯回線。飽和磁滯回線反映了磁化場由H變到由H變到-H再變回到H往復(fù)一周的變化過程中，B隨H的往復(fù)變化情況。S圖1鐵磁材料的起始磁化曲線和飽和磁滯回線示意圖由于鐵磁材料加上磁場H后產(chǎn)生的B不僅與H有關(guān)，也與磁化歷史有關(guān)，所以在研究鐵磁材料的起始磁化性質(zhì)時(shí)，通常先對鐵磁材料進(jìn)行退磁處理，使之達(dá)到磁中性狀態(tài)，一種較為簡便易行的方法是交流退磁。具體做法是，對材料加交變磁化場，先用大幅度勵(lì)磁電流使它飽和磁化，再在不斷改變磁場方向的過程中逐漸減小勵(lì)磁電流幅度至0使它退磁。如果磁場在任意LH，H］范圍內(nèi)作循環(huán)變化，那么B也會(huì)做循環(huán)變化，形成一個(gè)mm閉合的磁滯回線。磁滯回線的面積對應(yīng)于循環(huán)磁化一周所發(fā)生的能量損耗。對材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)磁化時(shí)，損耗來自于磁滯損耗。對材料進(jìn)行交流動(dòng)態(tài)磁化時(shí)，除了有磁滯損耗外，還會(huì)有渦流損耗和剩余損耗。一般由金屬和合金所組成的金屬磁性材料電阻率低，在高頻磁化時(shí)其渦流損耗大，而由金屬氧化物組成的鐵氧體磁性材料電阻率高，高頻條件下其渦流損耗很小。動(dòng)態(tài)磁滯回線形狀與磁化場頻率和幅度都有關(guān)。在同一頻率下，交變磁場幅度不同時(shí)，動(dòng)態(tài)磁滯回線也會(huì)不同。將磁場幅值從0增到H，這些動(dòng)態(tài)磁滯回線的頂點(diǎn)（H，B）Smm的連線稱為動(dòng)態(tài)磁化曲線（見圖2）。在這條線上任意一點(diǎn)的B和對應(yīng)H的比值mm日=-Bm-稱為振幅磁導(dǎo)率。對于工作在幅度較大的交變磁場下的電感鐵芯，比如變壓m日H0m器鐵芯，振幅磁導(dǎo)率是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。圖2鐵磁材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線和動(dòng)態(tài)磁化曲線示意圖當(dāng)交流磁化場幅度很小時(shí)，鐵磁材料的磁化過程是可逆的，磁滯回線退化成一條斜線（見圖2中原點(diǎn)附近的小線段）。對于沒有直流偏置磁場的情況，這個(gè)過程對應(yīng)于起始磁化曲線起始的可逆階段（圖1中的OA段），可以定義起始磁導(dǎo)率為N=lim-B-，它表iH-0NH0征了起始可逆磁化階段的磁化性能。用于弱磁場中的材料，例如通訊器件上應(yīng)用的軟磁材料，其磁化性能主要由N來表征。i有的電感鐵芯工作在既有直流偏置又有交流弱磁場的情況下，比如在圖1中的D點(diǎn)附近以弱交變磁場循環(huán)磁化，當(dāng)磁場足夠弱時(shí)回線會(huì)退化成一條斜線，此時(shí)，交流弱磁場引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化aB與磁場強(qiáng)度變化值A(chǔ)H（AH趨于0）之比決定了電感性能，相NB…，、b一一，一，一關(guān)的磁導(dǎo)率稱為可逆磁導(dǎo)率，定義為N=lim。直流偏置磁場可以影響N的大RAH-0NAHR0小，這一原理被應(yīng)用在磁放大器的設(shè)計(jì)中。2．動(dòng)態(tài)磁滯回線的測量測量動(dòng)態(tài)磁滯回線的原理電路如圖3所示。環(huán)形鐵芯上繞有三組線圈，線圈1為交流勵(lì)磁線圈，線圈2為感應(yīng)線圈，線圈3為直流勵(lì)磁線圈。線圈1接交流正弦信號源，根據(jù)

安培環(huán)路定理，磁場強(qiáng)度正比于線圈中的電流，因此也正比于電阻R上的電壓u。線圈1R12接RC積分電路，磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于線圈2上感應(yīng)電壓u的時(shí)間積分，因此也正比于積2分電容C上的電壓u。將u和u從示波器兩通道輸入，在示波器X-Y顯示模式下，就CR1C可以看到動(dòng)態(tài)磁滯回線。測有直流偏置磁場下的可逆磁導(dǎo)率時(shí)，需要將線圈3接直流電源，用電表測量電流計(jì)算磁場強(qiáng)度，要能有效調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流；為了減小交流磁場在線圈3中產(chǎn)圖3用示波器測量動(dòng)態(tài)磁滯回線電路圖交流磁場強(qiáng)度H的測量原理。由安培環(huán)路定理磁場強(qiáng)度H正比于勵(lì)磁電流i：1其中Ni是線圈1圖3用示波器測量動(dòng)態(tài)磁滯回線電路圖交流磁場強(qiáng)度H的測量原理。由安培環(huán)路定理磁場強(qiáng)度H正比于勵(lì)磁電流i：1其中Ni是線圈1的匝數(shù)，/是磁環(huán)的等效磁路長度。由于i=u1晨/因此H也與，成正比NNH二—iulRRii交流磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測量原理。由法拉第電磁感應(yīng)定律（1）線圈2上的感應(yīng)電壓u2來源于線圈2中的全磁通的變化Nd①NSdBdtdt其中N是線圈2的匝數(shù)，①是單匝線圈中的磁通量，S是單匝線圈環(huán)繞的面積（對繞在2磁芯上的線圈相當(dāng)于磁芯的橫截面積）。如果RC>>T（T是外磁場周期），那么電容C22R2Q111—=idt=Judt氏2R2Q111—=idt=Judt氏JCC2CRR2CR22udt

2其中Q是電容器極板上的電荷量，?是線圈2中的電流。交流磁感應(yīng)強(qiáng)度B正比于u2C（2）（2）B=2uNSC2【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1．觀測樣品1（鐵氧體）的飽和動(dòng)態(tài)磁滯回線（1）測量頻率f=100Hz時(shí)的飽和磁滯回線。取R1=2,0Q，R廣50kQ，C=10.0日F。示波器選擇X-Y模式。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小及示波器的垂直、水平位移旋鈕，在示波器顯示屏上調(diào)出一個(gè)相對于坐標(biāo)原點(diǎn)對稱的飽和磁滯回線。測量并畫出飽和磁滯回線的B-H圖。上下半支各選取9個(gè)以上的測量點(diǎn)。測量B，B，H。可通過示波器光標(biāo)SrC（cursor）來讀數(shù)。（2）保持信號源幅度不變，在儀器頻率可調(diào)范圍內(nèi)，觀測不同頻率時(shí)的飽和磁滯回線。用不同頻率時(shí)，磁滯回線有何變化？為什么？保持R，RC不變，測量并比較f=9512Hz和150Hz時(shí)的B和H。rC（3）在頻率f=50Hz下，比較不同積分常量取值對李薩如圖的影響。固定勵(lì)磁電流幅度I=0,1A，R=2,0Q，改變積分常量RC。調(diào)節(jié)RC分別為0.01s、0.05s、0.5s，TOC\o"1-5"\h\zm122觀察并粗略畫出不同積分常量下u-u李薩如圖形的示意圖。請思考為什么積分常量會(huì)R1C影響u-u李薩如圖形的形狀？積分常量是否會(huì)影響真實(shí)的B-H磁滯回線的形狀？R1C2．測量樣品1（鐵氧體）的動(dòng)態(tài)磁滯回線。（測量前需要對樣品進(jìn)行退磁。）（1）在f=100Hz時(shí)，調(diào)出不同幅度的動(dòng)態(tài)磁滯回線，測量并畫出動(dòng)態(tài)磁化曲線。取R=2.0Q,R=50kQ,C=10.0RF。磁場幅度H從0到H單調(diào)增加，要求至少202mS個(gè)測量點(diǎn)。（2）根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算并畫出R-H曲線。mm（3）測定起始磁導(dǎo)率R。i3．觀察不同頻率下樣品2（硅鋼）的動(dòng)態(tài)磁滯回線。取R=2.0Q，R=50kQ，C=10.0RF。在給定交變磁場幅度H=400A/m下，12m測量f=20Hz，40Hz，60Hz的B，B，H。mrC*4.測量樣品1（鐵氧體）在不同直流偏置磁場H下的可逆磁導(dǎo)率。（測量前需要先對樣品進(jìn)行退磁。）交流磁場頻率取f=100Hz。電路參數(shù)設(shè)置為：R=2.0Q,R=20kQ,C=2.0RF。12直流偏置磁場必須從0到Hs單調(diào)增加。測量時(shí)，為保證精度，需調(diào)交流信號源幅度使交流磁場AH足夠小，并