测定铁磁材料的磁化曲线

测定铁磁材料的磁化曲线实验目的：1、了解铁磁材料的基本性质和用示波器获得动态磁滞回线的原理和方法；2、学习示波器和交流毫伏表的使用方法；3、学会测量基本磁化曲线的一种方法。背景知识：一、磁介质的分类磁介质中的磁感应强度可以表示为，其中为真空中的磁感应强度，为磁化而产生的附加磁场。定义为相对磁导率，则根据的不同，磁介质可以分为三类：1、顺磁质：与同向，即，故,如锰、铝、氧等；2、抗磁质：与反向，即，故，如铜、氢、硫等；3、铁磁质：与同向且比大得多，即，，如钴、铁、镍等。顺磁质和抗磁质均属于弱磁性物质，而铁磁质属于强磁性物质。铁磁质有一临界温度——居里点Tc，工作温度高于Tc时，铁磁质将丧失其铁磁性而转变为顺磁质。二、铁磁材料的特点铁磁材料的磁性有两个显著特点：1、磁导率非常高，比顺磁质和抗磁质高109倍以上，而且随磁场而变化；2、磁化过程有磁滞现象，因而磁化规律很复杂。铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是设计电磁机构和电磁仪表的重要依据之一。测定铁磁材料的磁化曲线可以采用冲击电流计法和示波器法，前者准确度高但操作复杂，所测得的是铁磁材料在直流磁场下所表现的特性，称为静态磁特性；后者准确度稍低，但形象直观，简单方便，并且能够在脉冲磁化下进行测量，所测得的是铁磁材料在交变磁场下所表现的特性，称为动态磁特性。三、铁磁材料的磁化规律研究铁磁材料的磁化规律时，通常把样品做成截面均匀的圆环（Torus），环上绕有磁化线圈和测量磁感应强度用的探测线圈，这种有铁芯的圆环线圈称为罗兰环或螺线环。当磁化线圈中通以大小不同的电流时，样品内就形成大小不同的磁场强度，其磁力线在罗兰环内呈闭合回路，这样，磁化曲线和磁滞回线的测定就归结为磁场强度H和相应的磁感应强度B的测量。图1磁滞回线（一）起始磁化曲线图1磁滞回线在电流产生的磁场中，如果放入铁磁物质，磁场将明显加强，此时铁磁质中的磁感应强度比单纯由电流产生的磁感应强度大数百倍或数千倍。将未被磁化的铁磁材料做成罗兰环，当流过磁化线圈中的磁化电流从0逐渐增大时，铁磁圆环中的磁感应强度B随励磁场强度H变化（oa曲线），若H单调地增加，则测得的B随H的变化曲线称为起始磁化曲线。铁磁质的B与H间不是线性关系，若按B=μH定义磁导率μ，则铁磁质的磁导率不是常数，它是随H的变化而变化的。（二）磁滞回线当H增加到一定值时，B的增加十分缓慢，磁化接近饱和。以Hm和Bm表示饱和值，H从Hm减小时，B随之减小，但不沿原曲线返回，而沿ab变化。当H减小为零时，铁磁材料中仍有一定剩磁Br，使磁场反向增加到-Hc时，B下降为零。继续增加反向磁场到-Hm，B达到负向最大值-Bm，使磁场从-Hm减小到零，铁磁质中有负向剩磁-Br，再正向增大磁场到饱和值Hm，则得到闭合曲线abcdefa，称为磁滞回线。铁磁质磁化状态的变化总是落后于外加磁场变化的性质称为磁滞。对于磁滞回线，有三点说明：硬磁材料的矫顽力大，磁滞回线胖，有很大剩磁，磁性能构长期保存。软磁材料的矫顽力小，磁滞回线瘦，磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，适于制成高频器件。磁滞回线接近矩形，在两个方向上的剩磁可用于表示计算机二进制的“0”和“1”故适合于制成“记忆”元件。1、Hc称为矫顽力，B硬磁材料的矫顽力大，磁滞回线胖，有很大剩磁，磁性能构长期保存。软磁材料的矫顽力小，磁滞回线瘦，磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，适于制成高频器件。磁滞回线接近矩形，在两个方向上的剩磁可用于表示计算机二进制的“0”和“1”故适合于制成“记忆”元件。图2不同材料的磁滞回线图2不同材料的磁滞回线硬磁材料的矫顽力一般在120A/m~2000A/m，甚至可达106A/m，软磁材料矫顽力一般小于120A/m。2、达到饱和磁化的磁滞回线称为饱和磁滞回线，而一般实验测量和实际应用中很难使铁磁材料达到完全饱和磁化。3、由于剩磁效应，铁磁材料的磁化过程是不可逆的。一定的磁场强度并不单值地确定铁磁材料的磁感应强度值。在相同的磁场强度下，待测试样的磁畴，磁矩的分布特征（即磁结构）可能不同，与获得该状态前的磁化历史和获得该状态的方法有关。对于非饱和的磁滞回线，当磁场按（为测量中的最大磁场）变化时，磁感应强度的对应变化为。一般地说，，即磁滞回线不闭合。为了获得闭合的磁滞回线，需要使磁场经过多次的反复变化，以整理样品内部的磁畴取向，这种磁场多次反向的操作过程称为“磁锻炼”。（三）基本磁化曲线对于同一种铁磁材料，若开始时没有磁性，依次选取不同的磁化电流I1，I2，…，In（I1<I2<…<In），则相应的磁场强度为H1，H2，…，Hn。在每一个选定的磁场值下，先经过“磁锻炼”，再使磁场方向发生两次变化（即，），则可获得一组逐渐增大，且一个套一个的闭合磁滞回线。把原点O和各条磁滞回线的顶点（a1，a2，…an）所连成的曲线称为铁磁材料的基本磁化曲线（也称技术磁化曲线）。它与前述按静态方法测得的起始磁化曲线稍有区别，基本磁化曲线所反映的铁磁材料的性质更符合交流电器中铁芯的实际使用情况。（四）铁磁质磁化过程的微观解释铁磁质内相邻原子中的电子自旋磁矩自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化区，无外磁场时各磁畴磁化方向杂乱无章，因而对外不显示磁性。若外加磁场较弱则自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的磁畴的体积逐渐增大，反之则逐渐缩小(畴壁运动)；若磁场较强，缩小着的磁畴消失，其它磁畴的磁化方向转向外场方向，外场越强，转向越充分，当所有磁畴都沿外磁场方向排列时则达到饱和磁化状态，铁磁质表现出较强的磁性。去除外磁场时分裂成许多磁畴，由于掺杂和内应力等原因，磁畴之间存在摩擦阻力，使磁畴不能恢复到磁化前的杂乱排列状态，因而表现出磁滞现象。温度升高时，分子热运动加剧，T>Tc时，磁畴全部被破坏，铁磁质转变为顺磁质。实验原理：Ur与磁场强度成正比根据安培环路定律Ur＝rlH/N1（1）其中l为环状样品的平均周长，N1为磁化线圈的匝数。可见Ur与H成正比，它表明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成正比。2、UC在一定强度下与磁感应强度B成正比若将R与C选得足够大，使电容C上的电压降比电阻R上的压降小到可以忽略不记的程度，则根据电磁感应定律，副线圈中的感应电动势为（2）其中S为样品截面积，N2为副线圈的匝数。可见UC与B成正比，即示波器荧光屏上竖直方向偏转的大小与磁感应强度成正比。如果（1）式和（2）式均以极大值表示，则有（3）（4）由此可以看出，在磁化电流变化的一个周期内，示波器的光点将绘出一条完整的磁滞回线，以后每个周期重复此过程，在示波器上即可看到一个稳定的磁滞回线图形。磁滞回线的顶点（Hm，Bm）可以用交流毫伏表测出，交流毫伏表的示值为电压有效值，通过有效值与极大值的关系可将（3）、（4）两式改写为在本实验中，。实验仪器：示波器，交流毫伏表，磁滞回线装置仪，可调隔离变压器。实验内容：1、连接并调试仪器按图连接线路。接通电源，适当设置示波器，扫描范围调到水平，同时调节X、Y轴的增益，使荧光屏上出现大小适宜的磁滞回线图形。2、测量基本磁化曲线把可调隔离变压器的电压调到最大100V，用两个交流毫伏表分别测出此时所对应的Urm和Ucm的有效值。然后变压器的电压每降低5V测量一组Urm和Ucm的有效值，至少测量15个点。注意事项：1、交流毫伏表使用input接口；2、示值小于量程1/3时，要换档（减小）；3、注意每档有效数字位数；4、为避免样品磁化后温度过高，初级线圈通电时间应尽量缩短，通过电流不可过大。思考题：1、为什么示波器能显示铁磁材料的磁滞回线？2、铁磁材料有什么特性？基本磁化曲线和磁滞回线有何区别？又有什么联系？3、为什么测量Hm时取与线圈N1相串连的电阻r上的电压Ur而不直接从N1两端取电压？测量Bm时为什么从次级线圈中电容C两端取电压Uc，而不从电阻R两端取电压？数据处理：做，曲线。Up／v100959085807570656055Ur/mv87837977736967635957Uc/mv212202190182171160150140125118Hm/A/m47444241393736343231Bm/10-3T4814594314133883633403182842680.0100.0100.0100.0100.00990.00980.00950.00940.00900.0087Up／v5045403530252015105