铁磁材料磁滞回线和磁化曲线的测量

1、实验 6-22 铁磁材料磁滞回线和磁化曲线的测量在交通、通讯、航天、自动化仪表等领域中，大量应用各种特性的铁磁材料。 常用的铁磁材料多数是铁和其它金属元素或非金属元素组成的合金以及某些包含铁 的氧化物（铁氧体）。铁磁材料的主要特性是磁导率 非常高，在同样的磁场强度 下铁磁材料中磁感应强度要比真空或弱磁材料中的大几百至上万倍。磁滞回线和磁化曲线表征了磁性材料的基本磁化规律，反映了磁性材料的基本 磁参数，对铁磁材料的应用和研制具有重要意义。本实验利用交变励磁电流产生磁 化场对不同性能的铁磁材料进行磁化，通过单片机采集实验数据，测绘磁滞回线和 磁化曲线，研究铁磁材料的磁化性质。实验目的1、了解用示波

2、器显示和观察动态磁滞回线的原理和方法。2、掌握测绘铁磁材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的原理和方法，加深对铁 磁材料磁化规律的理解。3、学会根据磁滞回线确定矫顽力 Hc 、剩余磁感应强度 Br 、饱和磁感应强度 Bm 、磁滞损耗 BH 等磁化参数。4、学习测量磁性材料磁导率 的一种方法，并测绘铁磁材料的 H 曲线， 了解铁磁材料的主要特性。实验仪器TH MHC 型磁滞回线实验仪，智能磁滞回线测试仪，双踪示波器等。实验原理1、铁磁材料的磁化特性及磁导率 1）初始磁化曲线和磁滞回线研究铁磁材料的磁化规律，一般是通过测量磁 化场的磁场强度 H 与磁感应强度 B 之间的关系来进 行的。铁磁材料的磁化过程

3、非常复杂， B 与 H 之间 的关系如图 1 所示。当铁磁材料从未磁化状态（ H=0 且 B=0 ）开始磁化时，B 随H 的增加而非线性增加。当 H 增大到一定值 Hm 后，B 增加十分缓慢或 基本不再增加，这时磁化达到饱和状态，称为磁饱和。达到磁饱和时的 Hm 和 Bm 分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度（对应图 1中Q 点）。B H 曲线OabQ 称为初始磁化曲线。当使 H 从 Q 点减小时， B 也随之减小，但不沿原曲 线返回，而是沿另一曲线 QRD 下降。当 H 逐步较小至 0时，B 不为 0，而是 Br ， 说明铁磁材料中仍然保留一定的磁性，这种现象称为磁滞效应； Br 称为剩余磁

4、感 应强度，简称剩磁。要消除剩磁，必须加一反向的磁场，直到反向磁场强度 H Hc -，B 才恢复为 0， Hc 称为矫顽力。继续反向增加 H ，曲线达到反向饱和（ Q' 点），对应的饱和磁场强度为 Hm -，饱和磁感应强度为 Bm -。再正向增大 H ，曲 线回到起点 Q 。从铁磁材料的磁化过程可知，当磁化场 H 按Hm 0Hc -Hm - 0Hc Hm 依次变化时， B 所经历的相应变化依次为 Bm Br 0 Bm Br 0Bm， 这一过程形成的闭合 B H 曲线称为磁滞回线。采用直流励磁电流 产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为静态（直流）磁滞回线；采用 交变励磁电流产生

5、磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为动态（交流）磁 滞回线。图 1 初始磁化曲线和磁滞回线 Q' Q2）磁滞损耗当铁磁材料沿着磁滞回线经历磁化 去磁 反向磁化 反向去磁的循环过程中，由于磁滞效 应，要消耗额外的能量，并且以热量的形式耗散 掉。这部分因磁滞效应而消耗的能量，叫做磁滞 损耗 BH 。一个循环过程中单位体积磁性材料的 磁滞损耗正比于磁滞回线所围的面积。在交流电 路中磁滞损耗是十分有害的，必须尽量减小。要 减小磁滞损耗就应选择磁滞回线狭长、包围面积 小的铁磁材料。如图 2 所示，工程上把磁滞回线细而窄、矫顽力很小 Hc 1安培/米（10-2奥斯特） 的铁磁材料称为软磁材

6、料；把磁滞回线宽、矫顽力大Hc 104106安培/米（ 102104奥斯特） 的铁磁材料称为硬磁材料。 软磁材料适合做继电器、变压器、镇流器、电动机和发电机的铁芯。硬磁材料则适 合于制造许多电器设备（如电表、扬声器、电话机、录音机）中的永磁体。3）基本磁化曲线和磁导率未磁化状态的铁磁材料，在交变磁化场作用下由弱到强依次进行磁化的过程中，可以测出面积由小到大的一簇磁滞回线，如图 3 所示。这些磁滞回线顶点的连线 叫做铁磁材料的基本磁化曲线。根据基本磁化曲线可以近似确定铁磁材料的磁导率 。从基本磁化曲线上一点到原点 O 连线的斜率定义为该磁化状态下的磁 导率 HB = 。由于磁化曲线不是线性的，当

7、 H 由 0 开始增加时， 也逐步增加，然后达到一最大值。当 H 再增加时，由于磁感应强度达到饱和， 开始急剧减小。 随 H 的变化曲线如图 4 所示。磁导率 非常高是 铁磁材料的主要特性，也是铁磁材料用途广泛的主要原因之一。2、动态磁滞回线的测量方法实验中用交变励磁电流产生磁化场对滞回线和基本磁化曲线。如图 5 所示，待测铁磁材料样品做成 “曰”型， N 为励磁线圈，n 是为测量磁感应强度 B 而设置的探测线圈。动态磁滞回线测量电路原理图如图 6 所示，1R 为测量励磁电流的取 样电阻， 2R 、2C 组成测量磁感应强度 B 的积分电路图 5 待测铁磁材料样品示意图 图 2 不同铁磁材料的磁

8、滞回线 图 3 一簇磁滞回 线图 4 基本磁化曲线与 H 曲线1）磁场强度 H 的测量设通过 N 匝励磁线圈的交流励磁电流为 i ，L 为样品的平均磁路长度，根据安 培环路定律，样品中的磁场强度 L i N H ? =。因为 11R U i =，U 1为 R 1的端电压，所以有 11U R L N H ?=（1） 上式说明，根据已知的 N 、L 、1R ，只要测出 1U ，即可确定 H 。如果 1U 接入示波器的 X 输入，则示波器荧光屏上电子束水平偏转的大小与样 品中的磁场强度 H 成正比。2）磁感应强度 B 的测量在交变磁场作用下样品中磁感应强度 B 的测量是通过探测线圈 n 和 2R 、

9、2C 组成的积分电路实现的。根据法拉第电磁感应定律，由于样品中磁通 的变化在 匝数为 n 的探测线圈中产生的感生电动势的大小为 dt d n =，2即? =dt n21。因 BS =，S 为样品的截面积，于是 ?dt nS B 21 （2 ）忽略自感电动势和电路损耗，回路方程为 2222U R i += ，式 中 2i 是感生电流， 2U 为积分电容 2C 两端的电压。设在 t ?时间内， 2i 向电容 2C 充电电量为 Q ，则 22C Q U =，所以有 2222C Q R i += 。如果选取足够大的 2C 和 2R ，使 22R i >>2C Q ，则有 222R i =

10、。又因为 dtdU C dt dQ i 222? =，所以 dt dU R C 2222? =（ 3）由（ 2）、（ 3）两式可 得222U nSR C B = （4）图 6 磁滞回线测量电路原理图C 2 20 双踪示波器上式说明，已知 2C 、2R 、n 、S 后，测量 2U 即可确定 B 。如果 2U 接入示波器的 Y 输入，则示波器荧光屏上电子束垂直偏转的大小与样 品中的磁感应强度 B 成正比。3) B H 曲线的示波器显示根据上述 H 和 B 的测量原理可知，当 1U 接入示波器的 X 输入、2U 接入示波 器的 Y 输入时，在励磁电流变化的一个周期内，示波器的光点描绘出一个完整的 磁

11、滞回线。每个周期都重复这一过程，这样在示波器的荧光屏上就会观察到一个稳 定的磁滞回线图形。 实验内容1、连接测量线路选择测试样品 1，按照图 6 正确连接实验线路，调 整好双踪示波器。2、测绘磁滞回线1)样品退磁 打开实验仪电源，对样品退磁。顺时针方向转动 励磁电压“U选 择”旋钮，使 U 从 0增加到 3V ，然后 逆时针方向转动旋钮，将 U 从降至 0。退磁的目的是使样品处于磁中性状态，即 B 0，H 0。 2）观察磁滞回线调节示波器各旋钮使光点处于坐标原点，选择 =5. 21R（ 测试仪中的默认 值），励磁电压 U 从 0 逐渐增加，调节示波器的轴和轴灵敏度，使屏幕上显 示大小合适的磁滞

12、回线。若出现如图 7所示的畸变，可适当降低 U 。注意观察磁 滞回线的变化情况，正确判断出样品达到磁化饱和状态的磁滞回线（磁滞回线的面 积不再随 U 的增加而变大）。3）测绘磁滞回线当示波器上显示磁饱和时的磁滞回线后，使用智能磁滞回线测试仪采集 B 和 H 的数据，并记录磁滞损耗 BH 和 40组左右的 B 、H 数据，注意每个象限选取约 10数据点。用坐标纸或计算机画出磁滞回线，从图上读出饱和磁感应强度Bm 、饱和磁场强度 Hm 和矫顽力 Hc 。确定所测样品是软磁材料还是硬磁材料。3、测绘基本磁化曲线和 H 曲线 按照上述样品退磁方法对样品重新退磁，依次测定励磁电压 U .5、 .0、 、

13、 .0V 时各磁滞回线所对应的 H 和 B 的最大值（即磁滞回线的顶 点），用坐标纸或计算机画出样品的基本磁化曲线。计算对应的磁导率 HB =，作 H 曲线。 4、选择样品 2，重复上述实验内容 13。比较样品 1 和样品 2的磁化特征，分析铁磁材料的磁化特性。为了便于比较，样品 1 和样品 2 的同一类型的曲线（如磁滞回线）画在同一个图上。思考题1、简要说明铁磁材料基本磁化曲线和磁滞回线的主要特性。2、什么是软磁材料？什么是硬磁材料？举例说明软磁材料和硬磁材料的应3、本实验中在基本磁化曲线和磁滞回线的测量过程中，都是作B H 曲线，操作步骤的主要区别是什么？参考文献1、丁慎训、张连芳 . 物理实验教程 . 北京：清华大学出版社， 2002年.图