FD-BH-2动态磁滞回线说明书

1、FD-BH-2 型动态磁滞回线实验仪上海复旦天欣科教仪器有限公司中国FD-BH-2型动态磁滞回线实验仪一. 概述磁性材料在通讯、计算机和信息存储、电力、电子仪器、交通工具等领域 有着十分广泛的应用。磁化曲线和磁滞回线反映磁性材料在外磁场作用下的磁 化特性，根据材料的不同磁特性，可以用于电动机、变压器、电感、电磁铁、 永久磁铁、磁记忆元件等。动态磁滞回线是磁性材料的交流磁特性，其在工业 中有重要应用，因为交流电动机、变压器的铁芯都是在交流状态下使用的。本公司研制生产的FD-BH-2型动态磁滞回线实验仪具有以下特点：1. 提供形状尺寸相同的软磁铁氧体和硬磁模具钢 （Cr12）两种典型磁性材料进行

2、磁特性测量，可明显比较它们的磁特性参数不相同。并可测量在磁场强度 较小时，硬磁材料椭圆磁滞回线磁参数（复数），实验内容相当丰富；2. 提供可变频率的正弦波交流电源，可观测频率对磁特性的影响；3. 正弦信号源与220伏交流电源隔离（浮地），实验安全可靠；4. 提供准确度较高的交流数字电压表和细调正弦信号源。校准示波器X轴和Y轴分度值（定标）相当方便、准确；5. 样品初级线圈串联取样电阻Ri和次级线圈串联电阻R2和电容C，均可单独引出接线。学生自己可用交流矢量合成法或等阻抗法精确测量Ri、R2和C值。（外接一个电阻箱即可）本仪器是观测动态磁滞回线的优质仪器，可供高等院校、中等专业学校等基础物理实验

3、，设计性综合性实验和演示实验使用。二. 仪器用途FD-BH-2型动态磁滞回线实验仪可以完成以下实验内容：1. 测量软磁铁氧体基本磁化曲线和磁滞回线，求材料饱和磁感应强度、矫顽磁力和剩磁值，磁导率与磁场强度关系。2. 观察硬磁模具钢（铬合金钢）的磁滞回线。3. 观察交流电频率对磁性材料磁特性参数的影响。4. 学习用正弦信号和交流数字电压表对示波器X轴和丫轴分度值进行校准（定标）。5. 学习用矢量合成法或等阻抗法测量电阻值和电容值。6. 观察在磁场强度H较小时，硬磁材料椭圆磁滞回线，测量椭圆磁滞回线的交 流磁特性参数。三. 技术指标1. 正弦波信号发生器：频率15HZ-115 Hz,连续可调。输出

4、信号交流0-7V , 可连续细调。输出端与电源线中的地线隔离 （浮地）。2. 交流数字电压表：量程200m V,分辨率0.1mV ,浮地。3. 待测磁性样品：软磁铁氧体1只（环状），初级200匝，次级200匝;硬磁模 具钢（Cr12合金钢）1只（环状），初级200匝，次级200匝；两个样品内径 23.0mm，外径 38.0mm，高 10.0mm。4. 初级线圈串联电阻R1 2.0 ,次级线圈电路串联电阻R2 50.0K ,电容C 4.7 F。四. 仪器简介动态磁滞回线和磁化曲线实验仪由正弦信号发生器，交流数字电压表、实验电路模块，包括待测样品2只，取样电阻R1和R2、电容C等组成，其仪器装置

5、外形如图1所示。1345接示波器CH2通道8接示波器CH1通道4、功率信号输出1、交流数字电压表2、交流电压输入3、正弦信号输出5、幅度调节6、频率调节7、频率计8、待测样品图1动态磁滞回线和磁化曲线实验仪五. 使用注意事项1. 正弦信号发生器的输出端的黑色接线柱和交流数字电压表输出端的黑色接 线柱为公共端（仪器内用导线连在一起），实验时，须将公共端接在一起。2. 示波器的X轴和丫轴显示正弦波信号的分度值为峰-峰值，而交流电压表测 量的是正弦波的有效值。两者之间存在一定的关系，计算时必须注意。3. 在校准X轴和丫轴灵敏度时，应将被测样品去掉，而代之以纯电阻R。这主要是被测样品是铁磁材料，它的磁

6、导率-是与电流有关的量，从而使磁化 电路中的电流产生非线性畸变。Ro起限流作用，操作时，不应超过其允许功率4. 取2.0Q上正弦波电压进行校准是由于示波器输入两端处于低阻抗，可减小 环境杂散信号的影响。铁磁材料动态磁滞回线和磁化曲线的测量（复旦大学物理实验教学中心提供）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

7、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Bm、剩磁Br和矫顽力比。3. 学习示波器的X轴和丫轴用于测量交

8、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Cr12 ）的交流磁滞回线，并与软磁材料进 行比较。5. 学习精确测量电阻和电容的实验方法，测量不同阻值电阻和未知电容。6. 学习用计算机测量磁性材料动态磁滞回线和磁化曲线的方法。（选配计算机接口后完成）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H和磁感 应强度B之间关系来研究其磁化规律 的。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0。

9、随着磁化场H的 增加，B也随之增加，但两者之间不是的磁化已达到饱和状态。H m和Bm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A0,而是沿另一曲线AR下降到Br，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 Hm，这时曲线达到A点（即反向饱和点），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 Hm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，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

10、轴的交点Hc和Hc称为矫顽力，回线与B轴的交点Br和Br ,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Ni及副线圈N2。交流电压u加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻Ri，将Ri两端的电压ui加到示波器的X轴输入端上。畐懺圈N2与电阻R2和电容C串联成一回路，将电容C两端的电压U2加到示波器的丫轴输入端，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。Word文档图2用示波器测动态磁滞回线的电路图（图中正弦交流电源浮地）1. 磁场强度H的测量设环状样品的平均周长为I，磁化线圈的匝数为Ni，磁化电流为交流

11、正弦波电流ii,由安培回路定律HI Niii而ui Riii所以可得(i)Ni uiI Ri式中，Ui为取样电阻Ri上的电压。由公式（i ）可知，在已知Ri、丨、Ni的情 况下，测得ui的值，即可用公式（i）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N2的副线圈中感生电动势E2为dBE2N2S -dt（2）式中,讦为磁感应强度B对时间t的导数。若副线圈所接回路中的电流为i2，且电容C上的电量为Q，贝S有在（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C都取较大值使电容C上电压降UC C R2i2,可忽略

12、不计,于是（3）式可写为E2R2 i 2把电流i2罟C晋代入（4）式得E2R2Cduedt(5)把（5）式代入（2）式得Sn2sdBdtR2Cduedt在将此式两边对时间积分时，由于B和ue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)R2CueN2S式中，N2、S、R2和C皆为常数，通过测量电容两端电压幅值 ue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）的校准虽然示波器丫轴和X轴上有分度值可读数，

13、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轴或丫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Ri上将正弦信号输入X轴，用交流数字 电压表测量Ri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u峰峰。两者关系是U峰峰2 2U有效（7）2、用于校准示波器X轴档和丫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 丫轴和X轴的分度

14、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。0 0FD-BH-2动态磁滞回线实验仪mVHz电源 父流电压测量信号输出 功率信号输出 幅度调节 频率週节o 0 o o o炉炉1上海复旦天欣科教仪器有限公司0 0FD-BH-2动态磁滞回线实验仪模具钢CRioROC -I-1Y片CH（Y 轴）-O铁氧体OCH（X 轴）上海复旦天欣科教仪器有限公司图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

15、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Bm和Hm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Bm和Hm，剩磁Br和矫顽力He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 Bm和相应的 磁场强度Hm、剩磁Br和矫顽力He。磁感应强度以T为单位，磁场强度以A

16、/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 Bi和Hi，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（H曲线），其 中 。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轴和丫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

17、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轴和丫轴进行校准，并记录相应的Bm和Hm,Br和He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。选做实验1. 测量取样电阻Ri和电阻R2、电容C的值(a)电阻的测量将电阻箱R和待测电阻R2(或Ri)串联，并与正弦交流信号 源相接，用交流电压表测量信 号输出电压U和电阻箱两端 电压Ur,那么，由公共点图5用交流电压表测电阻UrU UR，得 R2R2UrWord文档同样，可测得Ri的值。R2约为50K Q, Ri约2Q,但测量时应考虑怎样使测量误差最小， 测小电阻时

18、，电源又不短路。测量电路如图5所示。(b)电容的测量电容的值C约为4.7 F。若交流电频率f 50 Hz ,即其阻抗约为Zc12 fC1004.7 i0 6曲测量电容的接线图如图6所示。取R 677，测量电源电压U和电阻两端电压Ur，在已知频率f和R时可得电容C的值。U2 Ur2 Uc2所以 UcU 2 Ur2由此可得Uc Zc IUr2 fC R图6 用交流电压表测电容Ur2 fR Uc请考虑一下是否有更好的方法将 Ri、R2、C测得更准确？2. 用交流电压表测量软磁铁氧体材料得基本磁化曲线 （B H曲线）。3. 测量硬磁模具钢材料椭圆交流磁滞回线的交流参量。见（参考文献7）五. 实验数据例

19、（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。（本示波器idiv 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 R1 / cmH/(A/ m)UC /cmB/mTU R1 / cmH/(A/ m)U C / cmB/mT0.204.10.1015.92.4049.81.903020.408.30.2539.82.6054.01.953100.6012

20、.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 He在示波器上显示0.55cm，剩磁Br在示波器上

21、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:8000铁氧体环状样品，外径i 38.0mm，内径 2 23.0mm，高H = 10.0mm,平均周长( i 2)/295.8 10 3m，磁环截面积 S ( i 2) Ih/275 10 6m2。示波器X轴定标：(示波器参数 X=20mV档 Y =10mV档) 去掉线圈，串入标准电阻箱，保证示波器20mV档不变，调节电阻R0使示波器上出现稳定的正弦波且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 2 .U 有效=2 2 X21.

22、1mV=42.2 2 mV。所以 X 轴 灵敏度 =42=19.89mV3.00示波器丫轴定标：因为电容两端输出不失真的正弦波，所以可以直接将电容两端的电压信号送入示波器得峰峰值在示波器上显示为 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 .2 .U有效=2、2 xi6.2mV。所以 Y轴灵敏度2 2 16.24.60=9.96mV。初级线圈和次级线圈匝数相等，即Ni N2200匝，电阻R12.00, R2 51.0 103电容 C 4.70 10 6F所以磁场强度N1IN1 U尺IR1200 0.0198995.8 10 3 2.00R120.76

23、 UR1(A/m)磁感应强度B N2|uc51.0 1034.70 10 620075 10 60.1534 Uc (T)159.2UC mT根据上面记录数据得到：矫顽力He 20.76 0.505 11.4A/m剩磁 Br 1.00 159.2 159mT饱和磁感应强度 Bm 159.2 2.20 350mT六. 思考题1. 在公式中，UcR2i2时可将Ue忽略，E2 R2i2。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