用示波器测动态磁滞回线、磁场测量实验报告

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、剩磁和矫顽力。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）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。一般都是通过测量磁化场的磁场强度和磁感应强度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，和均为零，在图中则相当于坐标原点。随着磁化场的增加，也随之增加，但两者之间不是线性关系。当增加到一定值时，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。和分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度(对应于图中点)。如果再使逐步退到零，则与此同时也逐渐减小。然而，其轨迹并不沿原曲线，而是沿另一曲线下降到，这说明c-H cH 当下降为零时，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，这时曲线达到点(即反向饱和点)，然后，先使磁化场退回到；再使正向磁化场逐渐增大，直到饱和值为止。如此就得到一条与对称的曲线,而自点出发又回到点的轨迹为一闭合曲线,称图1磁滞回线和磁化曲线为铁磁物质的磁滞回线，此属于饱和磁滞回线。其中，回线和轴的交点和称为矫顽力,回线与轴的交点和,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及副线圈。交流电压加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻，将两端的电压加到示波器的X轴输入端上。副线圈与电阻和电容串联成一回路，将电容两端的电压加到示波器的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。XR1CR2Y1E2uc图2用示波器测动态磁滞回线的电路图1. 磁场强度的测量设环状样品的平均周长为，磁化线圈的匝数为，磁化电流为交流正弦波电流,由安培回路定律,而,所以可得 (1)式中，为取样电阻上的电压。由公式（1）可知，在已知、的情况下，测得的值，即可用公式（1）计算磁场强度的值。2磁感应强度的测量设样品的截面积为，根据电磁感应定律，在匝数为的副线圈中感生电动势为 (2)(2)式中，为磁感应强度对时间的导数。若副线圈所接回路中的电流为，且电容上的电量为，则有 (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，将和都取较大值，使电容上电压降,可忽略不计，于是（3）式可写为 (4)把电流代入（4）式得 (5)把（5）式代入（2）式得 在将此式两边对时间积分时，由于和都是交变的，积分常数项为零。于是，在不考虑负号（在这里仅仅指相位差）的情况下，磁感应强度 (6)式中，、和皆为常数，通过测量电容两端电压幅值代入公式（6），可以求得材料磁感应强度的值。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轴（Y轴）和轴（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R1上将正弦信号输入X轴，用交流数字电压表测量R1两端电压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。须注意:1、数字电压表测量交流正弦信号，测得得值为有效值。而示波器显示的该正弦信号值为正弦波电压峰-峰值。两者关系是 （7）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。HzFD-BH-2动态磁滞回线实验仪mV电源交流电压测量功率信号输出幅度调节上海复旦天欣科教仪器有限公司信号输出频率调节CH2(Y轴)上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-BH-2 动态磁滞回线实验仪模具钢铁氧体CH1(X轴)CR1R2R1CR2N1N2N1N2N1N2YX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达到饱和 (即值达到足够高时，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，使磁滞回线的和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和，剩磁和矫顽力三个读数值（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。计算软磁铁氧体的饱和磁感应强度和相应的磁场强度、剩磁和矫顽力。磁感应强度以为单位，磁场强度以为单位。 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和，用作图纸作铁氧体的基本磁化曲线(关系)及磁导率与磁感应强度关系曲线(曲线)，其中。 (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，并记录相应的和,和值，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和值，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。（本示波器，估读至小格，即）。 表1 软磁铁氧体基本磁化曲线的测量/H/(A/)/B/H/(A/)/B/0.204.10.1015.92.4049.81.903020.408.30.2539.82.6054.01.953100.6012.50.4571.62.8058.12.003180.8016.60.651033.0062.32.053261.0020.80.901433.2066.42.103341.2024.91.051673.4070.62.153421.4029.11.201913.6074.72.153421.6033.21.402233.8078.92.203501.8037.31.552474.0083.02.203502.0041.51.652634.2087.22.203502.2045.71.802874.4091.32.20350并且记录得到矫顽力在示波器上显示，剩磁在示波器上显示，饱和磁感应强度在示波器上显示。 根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线： 铁氧体环状样品，外径，内径，高=，平均周长，磁环截面积。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.U有效=221.1mV=42.2mV。所以X轴灵敏度=19.89mV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。U峰-峰=2.U有效=216.2mV。所以Y轴灵敏度=9.96mV。初级线圈和次级线圈匝数相等，即，电阻,，电容,所以磁场强度磁感应强度根据上面记录数据得到：矫顽力 剩磁 饱和磁感应强度 六思考题1. 在公式(3)中，时可将忽略，。考虑一下，由这项忽略引起的不确定度有多大？2. 在测量曲线过程，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