2016磁滞回线的测量(实验报告)

石家庄铁道大学物理实验中心第1页共10页实验名称：用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线姓名学号班级桌号教室基础教学楼1101实验日期2016年月日节一、实验目的：1、掌握磁滞、磁滞回线、磁化曲线、基本磁化曲线、矫顽力、剩磁、和磁导率的的概念。2、学会用示波法测绘基本磁化曲线和动态磁滞回线。3、根据磁滞回线测定铁磁材料在某一频率下的饱和磁感应强度Bs、剩磁Br和矫顽力Hc的数值。4、研究磁滞回线形状与频率的关系；并比较不同材料磁滞回线形状。二、实验仪器1.双踪示波器2.DH4516C型磁滞回线测量仪评分此实验项目教材没有相应内容，请做实验前仔细阅读本实验报告！并携带计算器，否则实验无法按时完成！《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第2页共10页三、实验原理（一）铁磁物质的磁滞现象铁磁性物质除了具有高的磁导率外，另一重要的特点就是磁滞。以下是关于磁滞的几个重要概念1、饱和磁感应强度BS、饱和磁场强度HS和磁化曲线铁磁材料未被磁化时，H和B均为零。这时若在铁磁材料上加一个由小到大的磁化场，则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大，其B-H变化曲线如图1（OS）曲线所示。到S后，B几乎不随H的增大而增大，此时，介质的磁化达到饱和。与S对应的HS称饱和磁场强度，相应的BS称饱和磁感应强度。我们称曲线OS为磁性材料的磁化曲线。图1磁性材料的磁化曲线图2磁滞回线和磁化曲线2、磁滞现象、剩磁、矫顽力、磁滞回线当铁磁质磁化达到饱和后，如果使H逐步退到零，B也逐渐减小，但B的减小“跟不上”H的减小（B滞后于H）。即：其轨迹并不沿原曲线SO，而是沿另一曲线Sb下降。当H下降为零时，B不为零，而是等于Br，说明铁磁物质中，当磁化场退为零后仍保留一定的磁性。这种现象叫磁滞现象，Br叫剩磁。若要完全消除剩磁Br，必须加反向磁场，当BHB～HHμB～HSfde《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第3页共10页B=0时磁场的值Hc为铁磁质的矫顽力。当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线成为一闭合曲线，这个闭合曲线称为磁滞回线，如图2所示。3、基本磁化曲线对于同一铁磁材料，设开始时呈去磁状态，依次选取磁化电流I1、I2、….In，则相应的磁场强度为H1、H2、….H3，在每一磁化电流下反复交换电流方向（称为磁锻炼），即在每一个选定的磁场值下，使其方向反复发生几次变化（如H1→-H1→H1→-H1….），这样操作的结果，是在每一个电流下都将得到一条磁滞回线，最后，可得一组逐渐增大的磁滞回线。我们把原点O和各个磁滞回线的顶点a1、a2、….所连成的曲线称为铁磁材料的基本磁化曲线，如图3所示。图3基本磁化曲线（二）利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线测量原理1、示波器显示B—H曲线原理线路由上述磁滞现象可知，要观测磁介质磁滞现象及相应的物理量，需要根据磁化过程测定材料内部的磁场强度和磁感应强度。因此，测量装置必须具备三个功能：①提供使样品磁化的可调强度的磁场（磁化场）②可跟踪测量与磁化场有一一对应关系的样品的磁感应强度③可定量显示样品的磁化过程《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第4页共10页图4磁滞回线的测量原理图图4是利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线测量装置原理图：首先将待测的铁磁物质制成一个环形样品，在样品上绕有原线圈即励磁线圈N1匝，由它提供磁化场；在样品上再绕副线圈即测量线圈N2匝，由它来跟踪测量与磁化场有一一对应关系的样品的磁感应强度；由示波器来定量显示磁化过程。如图4，设L为环形样品的平均磁路长度，若在线圈N1中通过励磁电流I1时，此电流在样品内产生磁场，磁场强度H的大小根据安培环路定律:，即：I1R1两端电压U1为：U1=I1R1=H(1)由（1）式可知，若将电压U1输入示波器X偏转板时，示波器上任一时刻电子束在X轴的偏转正比于磁场强度H。为了追踪测量样品内的磁感应强度B,在截面面积为S的样品中缠绕副线圈N2，B可通过副线圈N2中由于磁通量变化而产生的感应电动势ε来测定。根据电磁感应定律：即：ε=-)B=-为了获得与B相关联的电压数值（因示波器只接收电压），在副线圈上串联一个电阻R2《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第5页共10页与电容C，电阻R2与电容C构成一个积分电路，此时ε=iR2+Uc(i为感生电流，Uc为积分电容两端电压)，适当选择R2与电容C，使R2则电容两端的电压Uc为：Uc=(2)由（2）式可知，若将电压Uc输入示波器的Y偏转板，示波器上任一时刻电子束在Y轴的偏转正比于样品中的磁感应强度B。这样，当示波器处于X-Y状态，X偏转板接U1，Y偏转板接Uc，示波器屏上即可显示磁化过程。2、示波器的定标为了定量研究磁化曲线、磁滞回线，必须对示波器定标。即：确定示波器的X轴的每格代表多少H值(A/m)，Y轴每格代表多少B(T)。在示波器X偏转板上UX、Y偏转板UY可准确测量，且R1、R2、C都为已知的标准元件的情况下，设Sx为示波器X轴的电压灵敏度,X为水平方向的位移格数；SY为示波器Y轴的电压灵敏度，Y为垂直方向的位移格数；则：UX=SxX；UY=SYY(3)将（3）代入（1）、（2）得：H=(4)B=(5)四、实验内容(一)熟悉示波器并测量信号源输出信号的周期1、实验前准备《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第6页共10页①将“动态法磁滞回线实验仪”频率输出调节为100Hz，幅度值适中；②示波器处于测量信号波形状态，使示波器辉度适中；调节X、Y位移旋钮使光点居中③用标准信号校准示波器X、Y轴灵敏度旋钮，（注意：三个微调旋钮逆时针旋到底）请在下图中画出信号源输出信号的波形图，并计算其周期：(二)显示和观察两种样品在25Hz、50Hz、100Hz、150Hz交流信号下的磁滞回线图形1、实验准备1）按图4所示的原理线路检查接线连接是否正确2）逆时针调节“幅度调节”旋钮到底，使信号输出最小。3）调示波器显示工作方式为X-Y方式。示波器X输入为AC方式，测量采样电阻R1的电压U1；示波器Y输入为DC方式，测量积分电容的电压Uc。4）接通示波器和DH4516C型动态磁滞回线实验仪电源，适当调节示波器辉度及X、Y位移旋钮使光点居中。2、显示和观察两种样品的交流信号下的磁滞回线图形（先测量样品1）1）单调增加磁化电流，即缓慢顺时针调节“幅度调节”旋钮，使示波器显示的磁化曲线上B值增加缓慢，达到饱和。改变示波器上X、Y轴的灵敏度,调节R1、R2的大小，使示波器显示出典型美观的磁滞回线图形。2）分别观测频率为25.0Hz、50.0Hz、100.0Hz、150.0Hz，不同频率下的磁滞回线形状（注意：由于铁磁材料的磁化状态与磁化历史有关，磁滞回线又与其起始端点的磁化状态有关。观测每一频率下的磁滞回线前，必须使幅度值降为零。否则，观测无意义）。3）换样品2重复上述过程结论：1、（样品1）磁滞回线形状与信号频率关系：《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第7页共10页。2、（样品2）磁滞回线形状与信号频率关系：。3、样品1、样品2磁滞回线形状比较：。(三)测量样品1、2的矫顽力、饱和磁感应强度BS、饱和磁场强度HS和磁滞回线(本实验装置使用交变电流，所以每个状态都是经过充分的“磁锻炼”，随时可以获得磁滞回线。只要调节示波器上X、Y轴的灵敏度,调节R1、R2的大小，使示波器显示出典型美观的磁滞回线图形，即可测量矫顽力、饱和磁感应强度BS、饱和磁场强度HS。)请在下图中画出样品1的磁滞回线并测量矫顽力HC、饱和磁感应强度BS和饱和磁场强度HS1、样品1测量数值记录表（信号源频率取100Hz；R1=R2=Sx=Sy=）表1（参数：L=0.130m，S=1.24×10-4m2，N1=100T，N2=100TC=1.0×10-6F）计算HS=；BS=；HC=2、样品1磁滞回线图形序号1234567891011X/格5.004.003.002.001.000-1.00-2.00-3.00-4.00-5.00H/（A/m）Y1/格Y2/格B1/mTB2/mT《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第8页共10页3、样品2测量数值记录表表2(参数如上；信号源频率取100Hz；R1=R2=Sx=Sy=)计算HS=；BS=；HC=4、样品2磁滞回线图形序号1234567891011X/格5.004.003.002.001.000-1.00-2.00-3.00-400-5.00H/（A/m）Y1/格Y2/格B1/mTB2/mT《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第9页共10页（四）测量样品的基本磁化曲线（选择样品1）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，（注意基本磁化曲线与磁化曲线的不同）表3样品1的基本磁化曲线数据序号12345678910X/格00.51.01.52.02.53.03.54.05.0H/（A/m）Y/格B/mT样品1基本磁化曲线五、预习题写出下列物理量的定义：①饱和磁感应强度②饱和磁场强度③矫顽力《用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线》石家庄铁道大学物理实验中心第10页共10页④剩磁⑤磁滞回线⑥磁化曲线⑦基本磁化曲线六、课后题1、如果示波器上显示的磁滞回线是饱和磁滞回线，当调节X、Y电压灵敏度时，磁滞回线形状是否改变？饱和磁感应强度BS、饱和磁场强度HS、矫顽力、磁化曲线数值是否改变？2、为什么测量基本磁化曲线时需要退磁？