动态磁滞回线实验讲义

铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的测量实验指导书淮阴工学院物理实验中心2007年4月磁性材料应用广泛，从常用的永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存贮用的磁带、磁盘等都采用磁性材料。磁滞回线和基本磁化曲线反映了磁性材料的主要特征。通过实验研究这些性质不仅能掌握用示波器观察磁滞回线以及基本磁化曲线的基本测绘方法，而且能从理论和实际应用上加深对材料磁特性的认识。【实验目的】1、掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线等概念；2、学会用示波器观测磁滞回线；3、测量不同磁性材料的磁滞回线。【实验仪器】动态磁滞回线实验仪、双踪示波器、FB310B智能型磁滞回线组合实验仪动态磁滞回线实验仪的结构：1、信号源2、标准十进制电阻箱3、标准十进制电阻箱4、标准十进制电容箱5、软磁样品6、硬磁样品【实验原理】1、磁化曲线如果在通电线圈产生的磁场中放入铁磁物质，则磁场将明显增强。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系：HB磁滞回线测量仪器对于铁磁物质而言，磁导率并非常数，而是随H的变化而改变的物理量，即Hf，为非线性函数。铁磁材料的磁化过程为：其未被磁化时的状态称为去磁状态，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HB变化曲线如1所示。但当H增加到一定值SH后，B几乎不再随H的增加而增加，说明磁化已达饱和，从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。如图1中的os段曲线所示。2、磁滞回线当铁磁材料的磁化达到饱和之后，如果将磁化场减少，则铁磁材料内部的B和H也随之减少，但其减少的过程并不沿着磁化时的os段退回。从图2可知当磁化场撤消，0H时，磁感应强度仍然保持一定数值BrB称为剩磁（剩余磁感应强度）。若要使被磁化的铁磁材料的磁感应强度B减少到0，必须加上一个反向磁场并逐步增大。当铁磁材料内部反向磁场强度增加到HcH时（图2上的c点），磁感应强度B才等于0，达到退磁，Hc称为矫顽磁力。如图2所示，当H按O→Hs→O→Hc→Hs→O→CH→Hs的顺序变化时，B相应沿O→Bs→Br→O→Bs→Br→O→Bs顺序变化。图中的oa段曲线称作起始磁化曲线，所形成的封闭曲线abcdefa称为磁滞回线。bc曲线段称为退磁曲线。由图2可知：（1）当0H时，0B，这说明铁磁材料还残留一定值的磁感应强度Br。（2）若要使铁磁物质完全退磁，即0B，必须加一个反方向磁场Hc。（3）B的变化始终落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。（4）H上升与下降到同一数值时，铁磁材料内的B值并不相同，退磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。（5）当从初始状态0H，0B开始周期性地改变磁场强度的幅值时，在磁场由弱到强地单调增加过程中，可以得到面积由大到小的一簇磁滞回线，如图3所示。其中最大面积的磁滞回线称为极限磁滞回线。（6）由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场0H，0B；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减少，不能时增时减。在理论上，要消除剩磁Br，只需通一反向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力即可。实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因而无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示，如果使铁磁材料磁化达到磁饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减少磁化电流，直到等于零。则该材料的磁化过程中就会出现一连串面积逐渐缩小而最终趋于原点的环状曲线，如图4所示。当H减小到零时，B亦同时降为零，达到完全退磁。实验表明，经过多次反复磁化后，HB的量值关系形成一个稳定的闭合的“磁滞回线”。通常以这条曲线来表示该材料的磁化性质。这种反复磁化的过程称为“磁锻炼”。我们把图3中原点O和各个磁滞回线的顶点aaa,,21所连成的曲线，称为铁磁性材料的基本磁化曲线。不同的铁磁材料其基本磁化曲线是不相同的。在测量基本磁化曲线时，每个磁化状态都要经过充分的“磁锻炼”。否则，得到的HB曲线即为开始介绍的起始磁化曲线，两者不可混淆。3、示波器显示HB曲线的原理线路示波器测量HB曲线的实验线路如图5所示。本实验研究的铁磁物质是日字形铁芯试样（如图6所示）。在式样上绕有励磁线圈1N匝和测量线圈2N匝。若在线圈N1中通过磁化电流1I时，此电流在试样内产生磁场，根据安培环路定律11INLH，磁场强度的大小为：LINH11（1）其中L为日字形铁芯试样的平均磁路长度。（在图6中用虚线表示）。由图5可知示波器1CH(X)轴偏转板输入电压为：11RIUX（2）由式（1）和式（2）得：HNRLUX11（3）上式表明在交变磁场下，任一时刻电子束在X轴的偏转正比于磁场强度H。为了测量磁感应强度B，在次级线圈2N上串联一个电阻2R与电容C构成一个回路，同时2R与C又构成一个积分电路。取电容C两端电压CU至示波器2CH(Y)轴输入，若适当选择2R和C使2RC1，则：2221222221RECREI式中，为电源的角频率，2E为次级线圈的感应电动势。因交变的磁场H在样品中产生交变的磁感应强度B，则：dtdBSNdtdNE222(式中baS为铁芯试样的截面积，设铁芯的宽度为a,厚度为b)则：BRCSNdBRCSNdtERCdtICCQUUBtCY02222022211（4）上式表明接在示波器Y轴输入的电压YU正比于B。CR2电路在电子技术中称为积分电路，表示输出的电压CU是感应电动势2E对时间的积分。为了如实地绘出磁滞回线，要求：（1）2RCf21。（2）在满足上述条件下，CU振幅很小，不能直接绘出大小符合需要的磁滞回线。为此，需将CU经过示波器Y轴放大器增幅后输至Y轴偏转板上。这就要求在实验磁场的频率范围内，放大器的放大系数必须稳定，不会带来较大的相位畸变。事实上示波器难以完全达到这个要求，因此在实验时经常会出现如图7所示的畸变。观测时将X轴输入选择“AC”，Y轴输入选择“DC”档，并选择合适的1R和2R的阻值可得到最佳磁滞回线图形，避免出现这种畸变。【实验内容】1、按图8所示线路接线图8动态磁滞回线实验仪面板图（注：图中实线为样品1接线，虚线换接样品2）1）逆时针调节幅度调节旋钮到底，使信号输出最小。2）用专用接线接通样品1（或样品2）的初级与次级（注：接地端已在仪器内连接）。2、将示波器调整到工作状态。1）示波器光点调至显示屏中心；2）调示波器显示工作方式为YX方式，即图示仪方式。3）示波器X输入为AC方式，测量采样电阻1R的电压。4）示波器Y输入为DC方式，测量积分电容的电压。5）接通示波器和动态磁滞回线实验仪电源，适当调节示波器辉度，以免荧光屏中心受损。预热10分钟后开始测量。3、将动态磁滞回线实验仪的参数调整到参考值：R1=2.5,R2=10,C=3F。4、调整动态磁滞回线实验仪的参数和示波器的灵敏度，使示波器上显示最佳的磁滞回线图形。5、使用FB310B智能型磁滞回线组合实验仪，记录下完整的数据，根据记录的数据，在计算机上画出该样品的磁滞回线图，并标出相应的Hs、Bs、Br和Hc。6、换接实验样品，重复上述步骤。【数据处理】表1样品1R1=,R2=,C=F,f=HznHB012…用计算机电子表格或其他绘图软件作磁滞回线图HB（用图板加标注）HB磁滞回线Hs，Bs，Br，Hc表2样品2R1=,R2=,C=F,f=HznHB05003002001000-100-2000-300-4000-500-150-100-50050100150H（A/m）B/mT40012…用计算机电子表格或其他绘图软件作磁滞回线图HB（用图板加标注）HB磁滞回线Hs，Bs，Br，Hc【注意事项】1.实验前先熟悉实验的原理和仪器的构成；2.使用仪器前先将信号源输出幅度调节旋钮逆时针到底（多圈电位器），使输出信号为最小。然后调节频率调节旋钮，因为频率较低时，负载阻抗较小，在信号源输出相同电压下负载电流较大，会引起采样电阻发热；【思考题】1．什么是磁滞现象？2．硬磁和软磁的磁滞回线有什么区别？5003002001000-100-2000-300-4000-500-150-100-50050100150H（A/m）B/mT400