铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线.doc

实验九 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线图一实验目的：1、认识铁磁物质的磁化规律。2、测定样品的基本磁化曲线，作m-H曲线。3、测定样品的Hc、Br、Bm和HmBm等参数4、测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。实验仪器： 示波器、磁滞回线实验箱，导线。实验原理：铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料。铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率m很高。另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态(有剩磁)，图一为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。 图一图二图一中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=0，当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。图一表明，当磁场从Hs逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当H=0时，B不为零，而保留剩磁Br。当磁场反向从零逐渐变至-HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。图一还表明，当磁场按HSO-HD-HSOHDHS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDSRDS变化，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。应该说明，当初始态为H=B=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强,依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图二所示,这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率，因B与H非线性，故铁磁材料的m不是常数而是随H而变化（如图三所示）。铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛的主要原因之一。可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图四为常见的两种类型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长，矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机和交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。图一图三图四观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。图五待测样品为E1型矽钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁感应强度而设置的绕组。1为励磁电流取样电阻，设通过的交流励磁电流为I，根据安培环路定律，样品的磁化场强 L为样品的平均磁路 (1)(1)式中的N、L、R1均为已知常数，所以由U1可确定H。在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和R2C2电路给定的，根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通j的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为： (2)S为样品的截面积如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为：式中为感生电流，为积分电容两端电压。设在时间内，向电容的充电电量为Q，则图六如果选取足够大的和，使，则 (3)由（2）、（3）两式可得 (4)上式中、n和S均为已知常数，所以由U2可确定B。综上所述，将图五中的和分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B-H曲线；如将测出的和代入（1）式和（4）式，则可计算出样品的饱和磁感应强度Bs、剩磁Br、矫顽力HD、磁滞损耗BH以及磁导率等参数。实验内容：1、电路连接：选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路,实验仪的X端(即U1)输入到示波器的“CH1ORX”输入端，端(即U2)输入到“CH2ORY” 输入端，插孔为公共端。并令R1=2.5，“U选择”置于0位。示波器的TIME/DIV旋钮要调到X-Y方式。2、样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为0，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B=H=0，如图六所示。3、观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标网格中心，令U=2.2V，并分别调节示波器x和y灵敏度，使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线（若图形顶部出现编织状的小环，如图七所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。 图七4、观察基本磁化曲线，按步骤2对样品1进行退磁，从U=0开始，逐档提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线，在同一坐标纸上按比例把示波器显示的这些磁滞回线画出来。这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线。5、把调到，调至1.2V并保持不变，分别观察、比较样品1和样品2的磁化性能（先观察样品，观察样品时，把接到样品的导线按样品的接线方法移接到样品即可），在同一坐标纸中，按示波器实际显示的比例，描出样品1、样品2的磁滞回线，比较两样品的磁滞回线所围的面积。请用文字说明样品、样品中，哪个是硬磁性，哪个是软磁性；哪个的磁滞损耗大，哪个的磁滞损耗小。 6、测绘曲线：令R1=2.5，对样品1进行退磁后，依次测定U=0.5，1.0，2.8V时的九组Hm和Bm(即图一中的Hs和Bs的坐标，读数时要读出m和m两点，取平均值作为m的测量值，读m和Bm两点，取平均值作为Bm的测量值)值。也就是从示波器上读出Hm , Bm对应的电压值, 分别填到下表的U1,U2中。然后利用下表中的公式，计算m，Bm.的值。表一U(v)mBmU1(V)U2(V)0.51.01.21.51.82.02.22.52.87、令U=2.0V，R1=2.5测定样品1的Bm 含饱和磁感应强度Hm 及Br （剩余磁感应强度）Hc（矫顽力）的大小。数据处理：1、已知：N=50，n=150，L=60mm，S=80mm2，R1=2.5，C2=20F，R2=10K和测得的U1、U2，分别代入（1）、（4）两式计算相应的H和B值，然后求出对应的m值，并填入表一中。依照表一数据分别用坐标纸作出基本磁化曲线B及曲线（在同一图中画出）。 、估算上面步骤中曲线所围的面积的数值。说明两种样品材料各自的用途。思考题：1、用示波法测量磁参数时误差的主要来源是什么？2、磁滞损耗是如何产生的？它与什么有关？如何减少磁滞损耗？涡流损耗又是如何产生的，如何减少涡流损耗？3、如果测量前没有将材料退磁，会出现什么情况？附录：现在示波器的种类很多，仪器面板布置也各有不同，但是其使用操作还是大同小异的，我们只是对本实验用到的HITACHIV252 20MHz示波器的按键、旋钮、输入端的通用名称、功能和常用操作进行说明，其它不重要的部分不作说明。输入端：双通道示波器有CH1和CH2两个待测信号输入端和一个外触发信号输入端（TRID IN）。待测信号通过探头和专用的连接线接入示波器。探头柄上有一个信号衰减开关。开关拨向“1”时，信号不衰减输入；开关拨向“10”时，信号就衰减至1/10后输入，这时，若信号垂直衰减旋钮置于5mV/DIV挡，读数应该“10”，即相当于500mV/DIV。(1) 垂直衰减器旋钮：示波器两个通道各有一个输入信号多档衰减旋钮（VOLTS/DIV）。在垂直微调旋钮至校准（CAL）位置时，旋钮上的指示值就是显示屏上每1格对应的电压值，它相当于示波器的电压灵敏度。(2) 垂直微调旋钮：两个垂直微调旋钮（VARIBLE）一般与垂直衰减旋钮同轴。它可以在小范围内连续调节电压灵敏度。与垂直衰减器配合使用，可以实现电压灵敏度的无级调节。在测量电压时，一般将此旋钮右旋至校准位置(顺时针右旋喀嚓响即可)。(3) 垂直位置：两个通道的垂直位置旋钮（PISITION）可以调节各自通道电压等于零的水平基线的垂直位置。(4) 垂直工作方式：它是一个多档旋钮（MODE）。选 CH1时仅显示通道1的信号；选择CH2时显示通道2的信号，选择ALT时，同时显示两通道信号。选ADD时，显示两通道电压的代数和。一些示波器显示双踪信号时，又有交替（ALT）方式和断续（CHOP）方式之分，前者适用于高频信号显示，后者适用于低频信号显示。(5) 扫描时间旋钮及微调旋钮（TIME/DIV）：扫描时间旋钮可以分档选择每次扫描的时间，在时间微调旋钮（SWP VAR）旋至校准位置时，旋钮指示值（TIME/DIV）是屏上水平方向每格对应的时间。微调旋钮可以无级微调，测量时间时一般右旋至CAL位置。(6) 水平位置：(有水平箭头的“POSITION”)调节波形在屏上水平方向的位置。(7) 触发源（SOURCE）：有内触发（INT）、外触发（EXT）和电源触发（LINE）等不同选择。(8) 触发电平（LEVEL）：通过触发电平的大小来调节触发同步。(9) 触发方式（MODE）：有正常（NORMAL）、自动（AUTO）、TV-和TV-H等选择。(10) 藕合方式：一般有交流（AC）、直流（DC）和接地（GND）三种。交流藕合是通过电容器的藕合，只能让交流信号都能通过，测交流信号时使用。直流藕合是直接藕合，交、直流信号都能通过，主要在