铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

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1、铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线（动态磁滞回线实验）磁性材料在科研和工业中有着广泛的应用，种类也相当繁多，因此各种材料的磁 特性测量，是电磁学实验中一个重要内容。磁特性测量分为直流磁特性测量和交流磁 特性测量。本实验用交流正弦电流对磁性材料进行磁化，测得的磁感应强度与磁场强 度关系曲线称为动态磁滞回线，或者称为交流磁滞回线，它与直流磁滞回线是有区别 的。可以证明：磁滞回线所包围的面积等于使单位体积磁性材料反复磁化一周时所需 的功，并且因功转化为热而表现为损耗。测量动态磁滞回线时，材料中不仅有磁滞损 耗，还有涡流损耗，因此，同一材料的动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积 稍大些。本实验重点学

2、习用示波器显示和测量磁性材料动态磁滞回线和基本磁化曲线 的方法，了解软磁材料和硬磁材料交流磁滞回线的区别。一. 实验目的1. 了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的重要物理量矫顽 力、剩磁和磁导率的理解。2. 用示波器测量软磁材料（软磁铁氧体）的磁滞回线和基本磁化曲线，求该材料的饱和磁感应强度B 、剩磁气和矫顽力H。3. 学习示波器的X轴和Y轴用于测量交流电压时，各自分度值的校准。4. 用示波器显示硬铁磁材料（模具钢Cr 12 ）的交流磁滞回线，并与软磁材料进行比较。二. 实验原理（一）铁磁物质的磁滞现象铁磁性物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁性的原因。一般都是通过

3、测量磁化场的磁场强度H和磁感应强度B之间关系来研究其磁化规律的。如左图所示，当铁磁物质中不存在磁化场时，H和B均为零，在B H图中则相 当于坐标原点O。随着磁化场H的增加，B也随之增加，但两者之间不是线性关系。 当H增加到一定值时，B不再增加或增加的十分缓慢，这说明该物质的磁化已达到饱 和状态。H和B分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度（对应于图中A点）。如果再 使H逐步退到零，则与此同时B也逐渐减小。然而，其轨迹并不沿原曲线AO，而是沿另一曲线AR下降到B，这说明当 H下降为零时，铁磁物质中仍保留一 定的磁性。将磁化场反向，再逐渐增加 其强度，直到H = -H，这时曲线达 到A点（即反向饱和点

4、），然后，先使 磁化场退回到H = 0 ；再使正向磁化场逐渐增大，直到饱和值H为止。如此就得到一条与ARA对称的曲线ARA,而自A点出发又回到A点的轨迹为一闭合曲线, 一一 一 * 称为铁磁物质的磁滞回线，此属于饱和磁滞回线。其中，回线和H轴的交点Hc和Hc 、一一、一称为矫顽力，回线与B轴的交点B和B，称为剩余磁感应强度。（二）利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线电路原理图如图2所示。将样品制成闭合环状，其上均匀地绕以磁化线圈N 1及副线圈N2 o交流电压u加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻R，将R两端的电压u加到示波器的X轴 111输入端上。副线圈N 2与电阻R2和电容C串联成一回路，将

5、电容C两端的电压加到R示波器的Y轴输入端，这样的电路，在示波器上可以显示和测量铁磁材料的磁滞回线。图2 用示波器测动态磁滞回线的电路图1. 磁场强度H的测量设环状样品的平均周长为l，磁化线圈的匝数为N 1，磁化电流为交流正弦波电流*,由安培回路定律Hl = Ni ,而u = Ri ,所以可得11111(1)式中，u为取样电阻R上的电压。由公式（1）可知，在已知R、l、N的情况下，测得 iiii1的值，即可用公式（1）计算磁场强度H的值。2. 磁感应强度B的测量设样品的截面积为S，根据电磁感应定律，在匝数为N的副线圈中感生电动势E2为E 2 = N 2 SddL式中，竺为磁感应强度B对时间t的导

6、数。 dt若副线圈所接回路中的电流为虹，且电容C上的电量为2，则有E 2 = R2 i2 + （3）在（3）式中，考虑到副线圈匝数不太多，因此自感电动势可忽略不计。在选定线路参数时， 将R2和。都取较大值，使电容C上电压降% = C R2i2，可忽略不计，于是式可写为E 2 = R2 i2把电流i =竺=C虬代入（4）式得2 dt dt c -du E = R Cd-c把（5）式代入（2）式得S-NSdB = RC虬 dt dt在将此式两边对时间积分时，由于B和u都是交变的，积分常数项为零。于是，在不考虑负 C号（在这里仅仅指相位差土兀）的情况下，磁感应强度(6)式中，N 2、S、R2和C皆为

7、常数，通过测量电容两端电压幅值uC代入公式（6），可以求得 材料磁感应强度B的值。当磁化电流变化一个周期，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，以后每个周期 都重复此过程，形成一个稳定的磁滞回线。3. B轴（Y轴）和H轴（X轴）的校准虽然示波器Y轴和X轴上有分度值可读数，但该分度值只是一个参考值，存在一定误 差，且X轴和Y轴增益可微调会改变分度值。所以，用数字交流电压表测量正弦信号电压， 并且将正弦波输入X轴或Y轴进行分度值校准是必要的。将被测样品（铁氧体）用电阻替代，从*上将正弦信号输入X轴，用交流数字电压表测量 两端电压U有效，从而可以计算示波器该档的分度值（单位V/cm）,见图3。须注

8、意：1、数字电压表测量交流正弦信号，测得得值为有效值U有效。而示波器显示的该正弦信号值 为正弦波电压峰-峰值峰峰。两者关系是七一峰=2、初有效2、用于校准示波器X轴档和Y轴档分度值的波形必须为正弦波，不可用失真波形。 用上述方法可以对示波器Y轴和X轴的分度值进行校准。三. 实验仪器及装置图3X轴必隹电路动态磁滞回线实验仪由可调正弦信号发生器、交流数字电压表、示波器、待测样品（软磁FD-BH-2动态磁滞回线实验仪mVHz铁氧体、硬磁Cr12模具钢）、电阻、电容、导线等组成。其外型结构如图4所示。0电源交流电压测量n o o信号输出O0功率信号输出幅度调节频率调节O o Q护H上海复旦天欣科教仪器

9、有限公司 0图4动态磁滞回线实验仪外观四. 实验内容必做实验（一）观察和测量软磁铁氧体的动态磁滞回线1. 按图2要求接好电路图。2. 把示波器光点调至荧光屏中心。磁化电流从零开始，逐渐增大磁化电流，直至磁滞回 线上的磁感应强度B达到饱和（即H值达到足够高时，曲线有变平坦的趋势，这一状态属饱 和）。磁化电流的频率f取50Hz左右。示波器的X轴和Y轴分度值调整至适当位置，使磁滞回线的B和H 值尽可能充满整个荧光屏，且图形为不失真的磁滞回线图形。3. 记录磁滞回线的顶点B和H，剩磁B和矫顽力H三个读数值（以长度为单位），在 作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。4. 对X轴和Y轴进行校准。计算软磁铁

10、氧体的饱和磁感应强度B和相应的磁场强度H、 剩磁B和矫顽力H。磁感应强度以T为单位，磁场强度以A/m为单位。5. 测量软磁铁氧体的基本磁化曲线。现将磁化电流慢慢从大至小，退磁至零。从零开始，由小到大测量不同磁滞回线顶点的读数值B和H ,用作图纸作铁氧体的基本磁化曲线（B - H关系）及磁导率与磁感应强度关系曲线（r - H曲线），其中|i= B。H（二）观测硬磁Cr12模具钢（铬钢）材料的动态磁滞回线1. 将样品换成Cr12模具钢硬磁材料，经退磁后，从零开始电流由小到大增加磁化电流， 直至磁滞回线达到磁感应强度饱和状态。磁化电流频率约为f=50Hz左右。调节X轴和Y轴分 度值使磁滞回线为不失真

11、图形。（注意硬磁材料交流磁滞回线与软磁材料有明显区别，硬磁材 料在磁场强度较小时，交流磁滞回线为椭圆形回线，而达到饱和时为近似矩形图形，硬磁材 料的直流磁滞回线和交流磁滞回线也有很大区别。（见参考资料7）2. 对X轴和Y轴进行校准，并记录相应的B和H , B和H值，在作图纸上近似画出 硬磁材料在达到饱和状态时的交流磁滞回线。五. 实验数据例（仅供参考）铁氧体基本磁化曲线与磁滞回线的测量测量铁氧体的基本磁化曲线时，先将样品退磁，然后从零开始不断增大电流，记录各磁 滞回线顶点的B和H值，直至达到饱和。注意由于基本磁化曲线各段的斜率并不相同， 一条曲线至少20余个实验数据点，实验结果如表1所示。（本

12、示波器1div = 1.00cm , 估读至1/4小格，即0.05cm ）。表1软磁铁氧体基本磁化曲线的测量U / cmR1H/(A/ m)U / cmB/ mTU / cmR1H/(A/ m)U / cmB/ mT0.204.10.1015.92.4049.81.903020.408.30.2539.82.6054.01.953100.6012.50.4571.62.8058.12.003180.8016.60.651033.0062.32.053261.0020.80.901433.2066.42.103341.2024.91.051673.4070.62.153421.4029.11.2

13、01913.6074.72.153421.6033.21.402233.8078.92.203501.8037.31.552474.0083.02.203502.0041.51.652634.2087.22.203502.2045.71.802874.4091.32.20350并且记录得到矫顽力H在示波器上显示0.55cm,剩磁b在示波器上显示1.00cm，饱和磁感应强度在示波器上显示2.20cm。根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线：H(A/m)铁氧体环状样品，外径 % = 38.0mm，内径 % = 23.0mm，高i丑=10.0mm，平均周长l =兀-(+2)/2 = 95.8x 10-

14、3m，磁环截面积 S =(2) - * 12 = 75 x 10-6m2。示波器X轴定标：正弦波峰峰值在示波器上读为3.00cm，用交流数字电压表测量R1两端电压得有效值为21.1mV,U峰峰=2互.U有效=2再X 21.1mV=42.2还mV。所以X轴灵敏度=42.2、2 =l9.89mV3.00示波器Y轴定标:峰峰值为4.60cm，用交流数字电压表测量电容两端电压U有效=16.2mV。IU =2 云.U =2 粉 X16.2mV。所以 Y 轴灵敏度二及2 x16.2 =9.96mV。峰-峰有效4 60初级线圈和次级线圈匝数相等，即N1 = N2 = 200匝，电阻R1 = 2.000, R

15、2 = 51.0 x 103 Q , 电容C = 4.70X10-6F，所以磁场强度H = N1I = N1UR = 20X仞989=20.76-UR (A/m)l l R95.8 x 10 -3 x 2.00ii磁感应强度 B = &C U = 51.0X103 X4.70X10-6 X0.00996 U =0.1534-U (T) = 159.2Uc(mT)N 2 S C200 x 75 x 10-6CC根据上面记录数据得到：矫顽力hc = 20.76 x 0.505 = 11.4A/m剩磁 Br = 1.00 x 159.2 = 159mT饱和磁感应强度 Bm = 159.2 x 2.2

16、0 = 350mT六. 思考题1. 在公式中，U c R2i2时可将U c忽略，E 2 = RJ2。考虑一下，由这项忽略引起的不确定度有 多大？2. 在测量B - H曲线过程，为何不能改变X轴和Y轴的分度值？3. 示波器显示的正弦波电压值与交流电压表显示的电压值有何区别？两者之间如何换算？4. 硬磁材料的交流磁滞回线与软磁材料的交流磁滞回线有何区别？附录：软磁材料和硬磁材料介绍磁滞回线所围面积很小的材料称为软磁材料。这种材料的特点是磁导率较高，在交流下使用时磁滞损 耗也较小，故常作电磁铁或永磁铁的磁轭以及交流导磁材料。如电工纯铁、坡莫合金、硅钢片、软磁铁氧 体等都属于这一类。磁滞回线所围面积很大的材料称为硬磁材料，其特征常常用剩余磁感应强度B和矫 顽力H，此两个特定点数值表示。B和H大的材料可作为永久磁铁使用。有时也用BH乘积的最大值 (BH)maX衡量硬磁材料的性能，称为最大磁能，硬磁材料典型例子是各种磁钢合金和永久钡铁氧体。