磁滞回线1.doc

实验2-19 铁磁物质动态磁滞回线的测定【实验目的】1. 掌握用示波法测铁磁物质动态磁滞回线的基本原理；2. 熟悉磁性材料的基本特性。【实验原理】1. 磁滞回线铁磁材料在外加磁场中被磁化，使铁磁材料磁化的磁场强度（即外加磁场）与铁磁材料内部的磁感应强度的关系为。然而铁磁材料的磁导率不是常量，与是非线性关系，如图2-19-1所示。磁化前铁磁材料处于磁中性状态，即，。当磁场从零开始增加时，磁感应强度随之缓慢上升，继而随迅速增长，其后的增长又趋缓慢，当增加到时，达到饱和值，即再增加，几乎不再增加。从O到达饱和状态的这段曲线，称为起始磁化曲线（图2-19-1中曲线oa所示）。当从减小时，也随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线ab下降。当下降为零时，不为零，表明铁磁材料中仍保留一定的剩磁。使磁场反向增加到时，材料中的磁感应强下降为零，继续增加反向磁场到，又达到饱和值。逐渐减小反向磁场直至为零，再加上正向磁场直至，则磁感应强度沿defa变化，于是得到一条闭合曲线abcdefa。这条曲线称为铁磁材料的磁滞回线。其中称为剩磁，如果铁磁材料有剩磁存在，表明它已被磁化过。称为矫顽力，它表示铁磁材料抵抗去磁的能力。越大，表示铁磁材料越不容易退磁。图2-19-2 基本磁化曲线实验表明，当铁磁材料从未被磁化开始，在最初几个反复磁化的循环中，往往不能形成闭合曲线，经过十几次反复磁化后，才能获得一个稳定的闭合磁滞回线，这条曲线表征该材料的磁化性质。当交变磁场由弱到强单调增加时，处于交变磁场中的铁磁材料便从初始状态，开始依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图2-19-2所示。把原点O和各磁滞回线的顶点，所连成的曲线，称为基本磁化曲线。它与前面所述的起始磁化曲线稍有区别，但基本磁化曲线反映的铁磁材料的性质更具有实际使用价值。图2-19-3 三种材料的磁滞回线由于铁磁材料磁化过程的不可逆性即具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H=0时B=0。退磁的方法，从理论上分析，要消除剩余磁感应强度，只需要通以反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可，但实际上矫顽力的大小通常并不知道，则无法确定退磁电流的大小。从图2-19-2中磁滞回线簇可以看出，如果能使磁滞回线的面积逐渐缩小为零，就可以实现退磁。因此，首先给要退磁的材料加上一个大于（至少等于）原磁化场的交变磁场，这时会得到一个面积较大的磁滞回线。然后逐渐减小外加磁场，磁滞回线的面积依次缩小。当外加磁场H减小到零时，磁滞回线最终趋于原点，面积缩小为零，铁磁材料的磁感应强度B亦同时降为零，即达到完全退磁。铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，铁磁材料可分为软磁材料和硬磁磁材料。软磁材料的特点是：磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗小，磁滞回线呈长条状，如图2-19-3（a）所示。这种材料容易磁化，也容易退磁，可用来制造变压器、继电器、电磁铁、电机及各种高频电磁元件的铁芯等。硬磁材料的特点是：剩磁大，矫顽力也大，磁滞特性显著，磁滞回线包围的面积肥大。因此，硬磁材料充磁后，能保留很强的磁性，适用于作永久磁体，如图2-19-3（b）所示。另外，铁氧体的磁滞回线是矩形，如图2-19-3（c）所示，也称为矩磁材料。其特点是：磁导率大，电阻率高，剩磁接近于磁饱和值。矩磁材料常用于高频技术，计算机中也常用这种材料的两个稳定的剩磁状态代表“0”和“1”，故可作为二进制记忆元件。2.示波器显示磁滞回线的原理示波器显示铁磁物质动态磁滞回线时，要设法在示波器X偏转板上输入正比于样品中磁场强度H的电压，在示波器Y偏转板上输入正比于样品中磁感应强度B的电压，这时荧光屏上就得到样品的曲线。这种显示方法与显示李萨如图形的方法一样。图2-19-4是实验电路图。本实验研究的铁磁材料是闭合环状的，此环的平均长度为L，横截面积为S，当原线圈输入交流电压U时，在原线圈中将产生交变的磁化电流，根据安培环路定理 （2.19.1）因为，所以 （2.19.2）上式表明，加在示波器X轴上的电压与磁场强度H成正比。原线圈中交变的磁场强度H在磁环样品中产生交变的磁感应强度B，则穿过样品横截面积S的磁通量，由法拉第电磁感应定律知，样品副线圈中产生的感应电动势为 （2.19.3）设副线圈中的感应电流为，忽略自感电动势和回路损耗，则回路方程为 （2.19.4）设电容C上的充电量为Q， 。实验中选择选择足够大的R2和C，使，则： （2.19.5）由2.19.3式和2.19.5式得积分得 （2.19.6）上式表明，加在示波器Y轴上的电压与样品中的磁感应强度B成正比。所以，实验时将电阻R1两端的电压作为X轴的输入电压，此电压正比于样品中的H；将电容C两端的电压作Y轴的输入电压，正比于样品中的B。这样在荧光屏上就能真实的显示出二者的函数关系，即被测样品的磁滞回线。通过逐渐增大原线圈中的输入电压，使屏上磁滞回线由小到大扩展，可得到若干磁滞回线顶点的位置点，把这些点连成一条线，就是样品的基本磁化曲线。加大磁化磁场，使铁磁材料达到饱和，也就是说增大磁化场时磁滞回线的面积基本不再增加，只是回线的顶点向外扩展而已，此时的磁滞回线称为饱和磁滞回线。 【实验器材】CZ-2型磁滞回线装置，可调隔离变压器，双踪示波器，导线等。【实验内容】1.按图2-19-4接好电路，对样品进行交流退磁。增大变压器电压至样品达到饱和，然后逐渐减小电压值至零。2.观察磁滞回线。调节变压器的电压和示波器的Y衰减和微调旋钮，使屏上显示的磁滞回线的大小适当。3.测定磁滞回线上任意一点的H、B值。为了定量的研究磁滞回线，必须对示波器进行定标。测出磁滞回线上两点间的长度，由示波器测出相应的峰-峰值电压，代入公式（2.19.2），即可求出对应的H值，即是该磁滞回线X轴上单位长度代表的磁场强度H值；测出磁滞回线上两点间的长度，由示波器测出相应的峰-峰值电压，代入公式（2.19.6）即可求出对应的B值，即是该磁滞回线Y轴上单位长度代表的磁感应