铁磁材料的滞回线和基本磁化曲线实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2）实验名称：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线学院：专业班级：学生姓名：学号：实验地点：座位号：实验时间：一、实验目的：1、掌握用磁滞回线测试仪测绘磁滞回线的方法。2、了解铁磁材料的磁化规律，用示波器法观察磁滞回线比较两种典型铁磁物质的动态磁化特性。3、测定样品的磁化特性曲线（B-H曲线），并作μ-H曲线。4、测绘样品在给定条件下的磁滞回线，估算其磁滞损耗以及相关𝐻𝐶、𝐵𝑅、𝐵𝑀、𝐻、𝐵的等参量。二、实验仪器：TH—MHC型智能磁滞回线测试仪、示波器。三、实验原理：1．铁磁材料的磁滞特性铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料。铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特性是在外磁场作用下能被强烈磁化，即磁导率μ很高。另一特征是磁滞，铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间关系的特性。即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线。图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝O，当磁场强度H从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上升，如曲线Oa，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B达到饱和值BS这个过程的OabS曲线称为起始磁化曲线。如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B的值也要减小。图1表明，当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，对应的B值比原先的值大，说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，这种现象称为磁滞。磁滞的明显特征是当H＝O时，磁感应强度B值并不等于0，而是保留一定大小的剩磁Br。当磁场反向从0逐渐变至－HD，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，可以施加反向磁场。HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，曲线RD称为退磁曲线。图1还表明，当磁场按𝐻𝑆→𝑂→𝐻𝐶→−𝐻𝑆→𝑂→𝐻𝐷′→𝐻𝑆次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线𝑆𝑅𝐷𝑆′𝑅′𝐷′𝑆变化，可以看出磁感应强度B值的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这条闭合曲线称为磁滞回线。当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。磁滞是铁磁材料的重要特性之一，研究铁磁材料的磁性就必须知道它的磁滞回线。各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线，主要是磁滞回线的宽、窄不同和矫顽力大小不同。当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热，要消耗额外的能量，因为反复磁化时磁体内分子的状态不断改变，所以分子振动加剧，温度升高。使分子振动加剧的能量是产生磁场的交流电源供给的，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种在反复磁化过程中能量的损耗称为磁滞损耗，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。当初始状态为H＝B＝O的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图2所示，这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线。图1铁磁质起始磁化图2同一铁磁材料的曲线和磁滞回线一簇磁滞回线可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图3为常见的两种典型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力小（102A/m）、剩磁和磁滞损耗均较小，磁滞特性不显著，可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性，这种材料容易磁化，也容易退磁，是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大（102A/m），剩磁强，磁滞回线所包围的面积肥大，磁滞特性显著，因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁，并且这种剩磁不易消除，可用来制造永磁体。图3不同铁磁材料的磁滞回线2．测绘磁滞回线原理观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图4所示。待测样品为EI型矽钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁感应强度B而设置的绕组。R1为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为i，根据安培环路定律，样品的磁场强度：𝐻=𝑁𝑖𝐿⁄L为样品的平均磁路图4磁滞回线实验线路因为𝑖=𝑈1𝑅1⁄所以𝐻=𝐻𝐿𝑅1⁄∙𝑈1（1）式（1）中的N、L、𝑅1均为已知常数，磁场强度H与示波器X输入𝑈1成正比，所以由𝑈1可确定H。在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是由测量绕组n和𝑅2𝐶2电路确定的。根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通φ的变化，在测量线圈中产生的感应电动势的大小为𝜀2=n𝑑𝜑𝑑𝑡⁄(2)φ=1𝑛∫𝜀2𝑑𝑡B=𝜑𝑆⁄=1𝑛𝑆∫𝜀2𝑑𝑡式中S为样品的横截面积。考虑到测量绕组n较小，如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为：𝜀2=𝑖2𝑟2+𝑈2式中𝑖2为感生电流，𝑈2为积分电容C2两端电压。设在Δt时间内，𝑖2向电容C2的充电电量为Q，则𝑈2=𝑄𝐶2⁄所以𝜀2=𝑖2𝑅2+𝑄𝐶2⁄如果选取足够大的𝑅2和𝐶2，使得𝑖2𝑅2𝑄𝐶2⁄，则上式可以近似改写为𝜀2=𝑖2𝑅2因为𝑖2=𝑑𝑄𝑑𝑡⁄=𝐶2𝑑𝑈2𝑑𝑡⁄所以𝜀2=𝐶2𝑅2∙𝑑𝑈2𝑑𝑡⁄（3）将（3）式两边对时间t积分，代入（2）式可得𝐵=𝐶2𝑅2𝑛𝑠⁄∙𝑈2（4）式中𝐶2、𝑅2、𝑛和𝑠均为已知常数。磁场强度B与示波器Y输入U2成正比，所以由U2可确定B。在交流磁化电流变化的一个周期内，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，并在以后每个周期都重复此过程，这样在示波器的荧光屏上可以看到稳定的磁滞回线。综上所述，将图5中的U1和U2分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B－H曲线；如将U1和U2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗BH以及磁导率µ等参数。四、实验内容：（1）电路连接：选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路，并令R1＝2.5Ω，“U选择”置于O位。UH和UB（即U1和U2）分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔⊥为公共端；图5退磁示意图图6U2和B的相位差等因素引起的畸变（2）样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为O，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B＝H＝0，如图5所示；（3）观察磁滞回线：开启示波器电源，调节示波器，令光点位于荧光屏坐标网格中心，令U＝2.2V，并分别调节示波器x和y轴的灵敏度，使荧光屏上出现图形大小合适的磁滞回线（若图形顶部出现编织状的小环，如图6所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。记录下SH，SB，CH，rB各点坐标值，用div表示。（磁滞回线居中）；注意：磁滞回线应尽量大些，以减小荧光屏读数相对误差。（4）观察基本磁化曲线，按步骤2对样品进行退磁，从U＝0开始，逐档提高励磁电压，将在荧光屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线。这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线，记录下各电压下相应SH，SB的坐标值，用div表示。注意：实验过程中不能改变示波器x和y轴的灵敏度。（5）换样品2，重复上述步骤，并观察、比较样品1和样品2磁化性能的不同。五、实验数据及数据分析处理：（1）μ-H曲线及磁化特性曲线𝑅=2.5𝛺𝑈/𝑉𝑈𝐻/𝑚𝑉𝐻/104𝐴∙𝑚−1𝑈𝐵/𝑚𝑉𝐵/102𝑇𝜇(=𝐵/𝐻)/(𝐻/𝑚)0.51820.00640.80.0680.11211.03660.012670.1120.09151.24600.015800.1330.08701.56750.0231020.1700.07561.89500.0321140.1900.06002.010300.0341240.2070.06022.213200.0441300.2170.04922.515600.0521420.2370.04552.818100.0601500.2500.04143.020400.0681070.1780.026200.050.10.150.20.250.300.010.020.030.040.050.060.070.08B-H（2）磁滞回线（𝑈=2.5𝑉、𝑅=2.5𝛺）序号𝑈𝐻/𝑚𝑉𝑈𝐵/𝑚𝑉序号𝑈𝐻/𝑚𝑉𝑈𝐵/𝑚𝑉115601429-1560-142270010010-700-1003075110-754-2005012200-505-30001330006-400-5014400507-1000-1101510001108-1560-14216156014200.020.040.060.080.10.1200.010.020.030.040.050.060.070.08μ-H-200-150-100-50050100150200-2000-1500-1000-5000500100015002000六、思考题：1、如果不退磁，我们做实验会有什么后果？答：不退磁将无法消除磁滞现象，无法得到准确的曲线。2、示波器显示的磁滞回线是真实的H-B曲线吗？如果不是，为什么可以用它来描绘磁滞回线？答：不是，简单的说就是因为磁滞回线图像中的两个量是相关的，而示波器的X-Y模式恰恰能够用来显示两个相关量之间的传输特性。七、原始数据：