铁磁材料的静态磁化曲线测量目的学习用电子积分

实验 铁磁材料的静态磁化曲线测量一、实验目的学习用电子积分器测量磁感应强度。.测量铁磁材料的初始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线。3.学习使用计算机采集数据。二、原理磁性材料因其具有像磁导率、磁滞等重要的特性而被广泛地应用于现代科学技术中，如:磁存储技术、磁记录技术。但是由于磁性材料的磁化过程很复杂，影响磁性材料磁化特性的因素有很多，女U：掺杂、结构、温度等。在多数场合无法用解析式来定量描述磁化特性曲线,即H—B之间的关系，只能通过实验来测定它。本实验是以铁磁材料中的铁浚氧为例，用计算机测量其静态磁化特性曲线。图30-1首先将待测的磁性材料做成闭合坏状，上面均匀地密绕两组线圈，做成一只螺绕环。见图30—1o给其中一组线圈通电流1,则在线圈中将产生强度为H的磁化场，这组线圈称为初级线圈。当初级线圈中的电流发生变化时，在另外一组线圈一一次级线圈中将产生感应电动势，将次级线圈接在电子积分器上，可以测出磁感应强度E的变化。1.初始磁化曲线铁磁材料在磁化时具有以下共同的特点，将处在未磁化状态的铁磁材料（即H=0,B=0）加以磁化，在逐渐増加磁化场H的过程中，E也随之増加，开始B增加得比较缓慢,然后经过一段急剧増加的过程后又缓慢下来，这时铁磁材料的磁化就达到了饱和。如图30—2所示。从未磁化到饱和磁化的这段曲线，叫做初始磁化曲线。图30-2磁滞回线铁磁材料还有一个重要的特性，那就是磁滞。磁滞是指E的变化滞后于H的变化。当铁磁材料的磁化达到饱和后，如果使H单调减小，这在实验中称为去磁，这时E将不沿初始磁化时的路线返回，而是沿一条新的路径SR下降。当H减为0时，铁磁材料的磁

化状态并不随之消失，而要保留一些磁性氏，氏称为剩磁。要使剩磁完全退尽，必须加一个反方向的磁化场一Hc，—He称为矫顽力。如果反方向的磁化场继续增人，铁磁材料将被反向磁化直至饱和。图30-3此后若使反方向的磁化场H逐渐减小直至为零，然后再沿正方向增加，E将沿S'R‘US回到正向饱和磁化状态，这样一条关于原点对称的闭合曲线称为磁滞回线，见图30-3o一般说矫顽力He人的称为硕磁材料，He小的为软磁材料。基本磁化曲线如果铁磁材料未达到饱和状态就开始去磁，会出现较小的磁滞回线。对应于每一个磁化场H',为了得到一个对称而又稳定的磁滞回线，必须对样品进行反复磁化，在实验中就叫做“磁锻炼”。用此方法可以得到一系列的磁滞回线，把饱和磁滞回线的顶点与若干个不饱和磁滞回线的顶点及原点O连起来，这条由各磁滞回线顶点组成的曲线称为基本磁化曲线。如图30—4所示。图30-4上述无论是初始磁化曲线、磁滞回线还是基本磁化曲线，都是关于铁磁材料内部H与B之间对应关系的描述。本实验将用电子积分器、计算机数据采集系统来描绘H—B关系曲线。测量电路如图30-5所示。图中A为螺绕坏，A的初、次级线圈匝数分别为M和M为一互感器：R。为取样电阻：图中由运算放人器组成的系统为电子积分器。（一）关于磁化场强度H的测量磁化场强度H可以这样表示：（1）式中Ni为初级线圈匝数，1为通过初级线圈的磁化电流，L为螺绕环的平均周长。实验中，H的变化是通过改变磁化电流来实现的。这样就将磁化场强度H的测量转换成磁化电流1的测量。需要强调的是为了保证H是单调、往复的变化，磁化电流1也必须是单调、往复、缓慢的改变。由于计算机不能直接采集电流信号，需通过采样电阻R.,将电流1转换成与磁化场H成正比的电压信号g，将4输入到计算机的X通道。而H则按下式计算：LR°（二）用电子积分器测量磁感应强度B电子积分器电子枳分器是一种实现积分运算的电路。它能够对连续变化的电量进行累加，因此可以用来测量随时间变化的磁场，其分辨率高，易实现测量自动化。电子积分器由运算放人器和R，C等元件组成。如图30-6所示。I图30-6I图30-6O作为理想的运算放人器，它的开环放人倍数（即不接负反馈）K“为8,但是它的输出电压I】。是一个有限值，最大也不会超过运算放人器的工作电压（约15V）,由此可知它的输入电压ur很小，接近于0V。这就意味着在运算放人器的输入端cd之间相当于短路，又因为Cd端输入电阻R为无穷人，所以在Cd两端之间并无电流流过，即：ir=0,u/=0,故图（30—6）中a点被看作“虚地点”，根据基尔霍夫定律:i=ic+i‘，Uo+uc—uj=0,将（3）式代入（4）式中，则有将上面两式合并，并考虑到i=u：/R以及积分器在0时刻可能有电压uc‘，所以RCUiRCUi(\t+Uc（5）式中的可以通过在测量开始之前对电容C放电，使uj=0,则（5）式简化为Ujdt.Ujdt.由（6）式可见，积分器的输出电压u。正比于输入电压口对时间的积分，从而实现了积分运算。（6）式中负号表示输出电压与输入电压反相位。磁感应强度E的测量对照图（30—5）,测量时先将6合向a或b,S?合向1,S?闭合后再断开，S：；的作用是给电容放电，使（5）式中的uj=0o通过调节恒流源E的电流调节旋钮，单调地改变磁化电流「从而改变在螺绕坏初级线圈中产生的磁化场强度H,此时在螺绕坏次级线圈（7）式中，S是螺绕环的横截面积，$，即为（6）式中的ul,将（7）式代入到（6）式中，经枳分得到：RCRC（8）式中，B（0）为铁磁材料的剩磁，在正式测量之前应先退磁，使B（0）=0,这样（8）式就简化为即由电子积分器输出的电压u。正比于磁感应强度B对时间的积分。将I】。送到计算机的y通道，将ux送到计算机的x通道，实验时只要单调、往复且缓慢地改变磁化电流I,计算机就可以同步画出与H—B关系曲线相对应的g—u。曲线。u。，g的大小分别可以从计算机所绘曲线上求得。（9）式中t=（R.+Rm+Ra）C,t为电子积分器的时间常数，其中Rm，Ra分别是互感器与螺绕坏中的电阻，Rm与Ra均为不确定值，无法直接求t。但是t可以由实验测出，具体做法是：将9合向a或b,S?合向2,S：＜闭合后断开，调节流过互感器M上的电流1的人小，将在互感M上产生电动势“―吩，上式中的*，即为（6）式中的ui，将於，代入到（6）式中积分可得：Mu[由此得：_Mu；2* TT.Rouo （10）实验中，只要调节恒流源E,使电流1从0逐渐增加到互感器的额定电流值，计算机将绘出一条关于u‘。一fx的直线，（10）式中的uf,u'。均可从所绘直线上得到。将（10）式代入到（9）式中，则磁感应强度E的大小即为：=_NzSRou： （ii）三、实验仪器计算机数据采集系统一套，电子积分器、实验操作台、样品（Ni,N2及内、外半径，高由实验室提供）四、实验内容和注徹事项1.仔细阅读由实验室提供的“腾飞一号”电脑化x—y绘图仪的使用说明，了解“设置区”、“操作控制区”及有关功能的使用方法。打开Wmdows98桌面图标中“CZx—y”文件，屏上将显示出“演示”、“数据测量”及“数据处理”三个功能区，先应逐一了解每个功能区的作用。•测屋初始磁化曲线（1） 螺绕环退磁在测量开始之前必须对被测材料退磁，本实验采用5OHZ交流电退磁，退磁电路如图30—7。电路中T为自耦变压器：R为限流电阻；为交流安培表。先将T调到某一电压值，此时安培表中指示的电流约为螺绕环前一次充磁的最人电流。然后逐渐减小T的输出电压直到为零，至此退磁完毕。（2） 测绘曲线按图（30—5）接线，Si合向a或b,S?合向1,先闭合S：j再断开，用鼠标点击“记录”栏，调节电流1由0单调地、缓慢地增人，此时计算机所绘曲线即为该铁磁材料的初始磁化曲线。曲线上点的坐标为（g，U。）。需要强调的是必须单调地、缓慢地增加或减少电流，一旦电流调节失误，不得补测，必须将被测材料再一次退磁后，重新测量。测量磁滞回线电路设置同3,将电流1调至额定值，利用换向开关3反复换向，对待测材料进行“磁锻炼”，使其达到稳定磁化状态。S3合上后再断开。鼠标点击“记录”栏，计算机开始绘图,先单向减小电流1直至为零，然后迅速将5从一侧合向另一侧，调节电流1从0逐渐增人到额定值，再由额定值单调减小到零，此时计算机应绘出SRCS'R':最后再将3反向，调节1从0逐渐增至额定值，画出最后R‘C‘S段。调整坐标原点使之处于磁滞回线中点，求出剩磁氏与矫顽力He。测量基本磁化曲线基本磁化曲线为人小不同的磁滞回线顶点的连线，其中每一个稳定的磁滞回线都是在各自的电流下，通过Si反复换向，对被测样品进行磁锻炼后获得的。因此基本磁化曲线不能连续测量，需利用计算机中“暂停”与“记录”功能测各磁滞回线的顶点来完成。测屋步骤自拟。注意事项（1）调零：由于运算放人器会产生零点漂移，因此给测量带来很人的误差。为了减小漂移，在运算放人器的1、8两端之间加入调零电位器W.测量开始前，将仪器的输入端短路，仔细地调节W,使输出端电压稳定在0V的时间越长越好。在实验中还应随时观察积分器是否发生零点漂移。（2）退磁：在给螺绕坏退磁时，因采用了220V交流电，因此务必在教师的指导卞进行。