霍尔法测量铁磁材料磁滞回线的误差分析和改进_谢湘华

1、40 620 05 年全国高校非物理类专业物理教育学术研讨会论文集 P一E 26 霍尔法测量铁磁材料磁滞回线的误差分析和改进 谢湘华钟菊花 陈建华 李燮里 (华东理工大学物理系 , 上海 200237) 摘 要 关 键词 对霍尔法测 量磁化曲线和磁滞回线 的主 要误 差来源进行了分 析 , 并在操作 上作了相应的改进 , 以磁滞回线的中心对称性特征为依 据 , 对探 头的零 点进 行校正 , 并提 出了一种快速不对称 B 。 退磁法 , 实验证明 , 此法操作 更简洁 , 更 快速 , 退磁更彻底 . 磁场 ; 磁滞回线 ; 霍 尔法 ; 误差 1 前言 磁介质在外磁场H作用下 , 将产生很大

2、的附加磁场 B , 而且B的变化总是滞后 于H的变 化 , 当H= O时 , 附加磁场 B 的值并不等于零 , 为了消除剩磁 B r , 要加一反向磁场 , 当B= 。 时的 外磁场的值为H 。 , 又称为矫顽力 , H 。 的大小反映了磁介质保持剩磁状态 的能力 . 大学物理实 验中采用霍尔传感器 , 介质采用最常用的铁磁质 , 通过铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的测 量 , 使同学对 磁介质的剩磁 、 矫顽力 、 饱和磁感应强度等基本磁特性有 所 了解 , 同时学习材料剩 磁的退磁方法 . 霍尔法具有操作方便 , 外磁场可连续变化 , 测量准确度高等特点 , 但在实验过程 中 , 特别是探头

3、调零 、 样品退磁方面 , 操作还 不 尽完善 , 同时会带来一些系统误差 , 本文对 此进 行了优化和改进 . 2 主要 仪器 和实验 HM一l 霍尔法磁化曲线与磁滞回线实验仪(上海大学核力电子设备厂) , 其中包括 SXG一 20 0。 数字式毫特计 , 1560 0恒流电源和实心环形铁芯样品一组线圈(线圈 匝数为N )绕在环 形样品上 , 样品中间开 了一个极窄的均匀气隙 , 测量时霍尔探头置于气 隙中磁感应强度均匀区 域内 . 外磁场H的变化 , 通过线圈励磁电流I的大小进行调节 , 电流方向通 过双刀双掷开关控 制 , 从而改变磁场方向 , 其中H=(Nl/) I , l为样品平均磁

4、路长度 . 3 分析讨论 (1 )零点校正 本实验的误差来源之一是特斯拉计的读数准确性 , 而零点校正是最重要的步骤 . 通常 , 将 作者简介 : 女 , 副教授 , 从事基础课教学及其研究 . 20 05 年全国高校非物理类专业物理教育学术研讨会论文集 4 0 7 探头退 到气隙最远处 , 在外磁场为零的情况下 , 调节 “ 调零 ” 旋纽 , 使磁感应强度 B 0 . 此时 , 铁 磁质内往往有剩磁存在 , 霍尔探头即使离开气隙一段距离 , 也 不能保证此处B为零 . 如何消除 此系统误差?我们对此进行了改进 , 根据磁滞回线 中心对称性 的特点 , 进行探头零点较正 . 从 图 1的磁

5、滞回线可 以看到 , 正向磁饱和强度B 二 (+)和负向的磁饱和强度B , (一)的绝对值相 等 , B 二 (+)= B 。 ( 一) l , 而且 , 在外磁场强度H为任意值H 二 时 , 都有等式 B 二 (+)=l甘 : ( 一) l 成立 . 根据中心对称的特性 , 选取H的几个特征点 , 如H= O或H m , 调节 “ 调零 ” 旋纽使 B r (+) = IB r (一)或刀 二 (+)=B 二 (一) , 经过fL 次来回调节 , 即H m (+) o H 。 (一)一。一H 。 (+ )一H m (一.) 二 , 保证了霍尔探头零点准确性 , 同时 , 样品经过反复磁化(磁

6、锻炼) , 增强 了 B 的稳定性 , 此时测量得到的磁滞回线和 B r, H 。 等参数更加准确 . 责责价 价 刀刀 , x ( 一 ) ) ) 止止玺色色 60 0 一 30丫沼半30 0 _ 6 00 _ _ _ 多多恕: 一一 图 1 磁介质的起始磁化曲线和磁滞回线 图2不对称I退磁法示意图 (2)退磁 本实验的另一个误差来源是起始磁化曲线测量 , 要求测量前 样品中剩磁为零 , 因 此 , 首先 必须对样品进行退磁处理 . 通常采用不对称法 , 调节正向 , 负 向外 磁场最大值不 相等 , H。 二 ( + ) 并!H , a m 二 (一l ) , 即励磁电流I。 , (+)护

7、厂m t 二 (一l ) , 并逐步减小 I 值 , 如图 2 所示 , I 沿着 6 0 omA一。一一50 0m A。40 0m . A 二。 依次变化 , Io 时的磁感应强度 B 。 逐步减小 , 直到B 0 =O , 退磁成功 . 这种不对称 I退磁法 , 操作步骤易于表述 , 但退磁时间较长 , 当B 。较 小时 , I的调 节要非常小心 , 需要多次调节 , 否则B 。 很难完全退到 。 , 影响到起始磁化曲线测量的准确性 . 不 对称退磁法除了以励磁电流 I为 自变量外 , 也可以依据磁感应强度 】 Bl值进行调节 , 即不管I 的大小 , 只要观察 B 的变化 , 通过改变I

8、的大小和方向 , 使 B 逐步减小 的方法 . 实验证 明 , 这种 不对称 B 退磁法操作更方便 , 退磁业可 以更彻底 . 同时 , 在此基础上 , 我们提出了一种快速退磁 B 。 法 , 退磁时反向外磁场的大小以电流 I=0时的磁感应强度B 。 为参考值 , 如图 3所示 , 起始点 为( 0 , 93 . 3mT) , 改变 I方向 , 调节电流使B(一)略小于9 3 . 3mT , 如一9 0 mT , 将 J调 至0 , 此时 B 。 =一23 . 2mT , 将 I反向后 , 调节I使B(+)=20mT , 再回到 I=0 时 , B 。 =0 。退 磁成功 . 需要指出的是 ,

9、 不管是不对称 I或不对称B退磁法 , 当样品中的剩磁比较小时 , 如B 。 ! 1 0mT , 需要操作者仔细 调节 I值 , 同时观察B 。 !的变化 , 有 时针对某一个 B 。 值 , 往往需要调节 励磁电流 I至较大值 , 使B(一l ) 或 B( +)值大于B 。, 如图 3所示 , 当 B 。 =3 . smT , 直到 B(一) 调节到一1 0 . omT 时 , B 。 二。 . 3mT . 这就要求学生在实验过程中 , 不仅要熟悉操作规程 , 还应该 多开动脑筋 , 积极思考 , 充分发挥主观能动性 , 观察B 。 1的变化趋势 , 才能保证退磁成功 . 408 2。5 年

10、全国高校非物理类专业物理教育学术研讨会论文集 1 1 15o T T T o 呀呀 - - - 一一了塔酥一 一 一一 。 o 麟龙拜 0。” 。 。 015上上 B B B ( mT 、 、 一一一一寡缸缸 一一3 o o 岁黔多鹦2 确 _ 0 0 0 0 戒戒/ . 霆 l ( m 图3 不对称 0B快速退磁法 图 4 特殊情况下的退磁处理 4 结束语 对霍尔法测量铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线的主要误差来源进行了分析 , 并作了 相应 的改进 , 在霍尔探头的校正方面 , 提出 了以磁滞回线的中心 对称性为依据的调节方法 , 保证了 探头的零点准确性 ; 在剩磁的消磁方法方面 , 提出 了不对称 B调节法 , 并