磁化曲线和磁滞回线测量

实验C 磁化曲线和磁滞回线测量

磁性材料应用广泛，扬声器永久磁铁、变压器铁芯、计算机磁盘等都采用磁性材料。铁磁材料分为硬磁和软磁两大类。硬磁材料的剩磁和矫顽力大（102 ~2⨯104 A/m），可做永久磁铁。软磁材料的剩磁和矫顽力小（102 A/m以下），容易磁化和去磁，广泛用于电机和仪表制造业。磁化曲线和磁滞回线是磁材料的重要特性，是变压器等设备设计的重要依据。

磁滞回线测量可分静态法和动态法。静态法是用直流来磁化材料，得到的B—H曲线称为静态磁磁滞回线。动态法是用交变来磁化材料，得到的B—H曲线称为动态磁滞回线。静态磁滞回线只与磁化磁场的大小有关，磁样品中只有磁滞损耗；而动态磁滞回线不仅与磁化磁场的大小有关，还与磁化场的频率有关，磁样品中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗。因此，同一磁材料在相同大小磁化场下，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大。

本实验采用动态法测量软磁样品的动态磁滞回线和磁化曲线，测量曲线可连续或逐点显示在LCD（液晶）屏上，直观、简便、物理过程清晰。

【实验目的】

1.了解磁滞回线和磁化曲线概念，加深对磁材料矫顽力、剩磁等参数的理解。

2.掌握磁材料磁化曲线和磁滞回线的测量方法，确定B s、B r和H c等参数。

3.探讨励磁电流频率对动态磁滞回线的影响。

【预备问题】

1.为什么测磁化曲线先要退磁？

2.为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼？

3.为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大？

【实验仪器】

FC10-II型智能磁滞回线实验仪。

【实验原理】

1.铁磁材料的磁化规律

(1) 初始磁化曲线

在强度为H的磁场中放入铁磁物质，则铁磁物质被磁化，

其磁感应强度B与H的关系为：B = μ H，μ为磁导率。对于

铁磁物质，μ不是常数，而是H的函数。如图1所示，当铁

磁材料从H=0开始磁化时，B随H逐步增大，当H增加到

H s时，B趋于饱和值B s，H s称为饱和磁场强度。从未磁化到

饱和磁化的这段磁化曲线OS，称为初始磁化曲线。

图1初始磁化曲线

(2) 磁滞回线

如图2所示，当磁材料达到饱和磁化B s 后，如果将H 减小，B 也减小，但沿与OS 不同的路径ab 返回。当H =0时，B=B r ，到达b 点，B r

称为剩磁。欲使B =0，必须加反向磁场，当H = -H c ，

B =0（完全退磁），到达c 点，bc 段曲线称为退磁曲线，

H c 称为矫顽力。如果反向磁场继续增大，磁性材料将

反向磁化。当H=-H S 时，磁化达到反向饱和，B =-B s ，

到达d 点。此后若减小反向磁场使H =0，则B = -B r ，

到达e 点；当H=H c 时，B =0，到达f 点；再次当H=H s

时，B =B s ，回到正向饱和状态a 点。经历这样一个循环

后形成的闭合曲线abcdefa 称为磁滞回线。

H S 、B S 、B r 、H c 是磁滞回线的特征参数。剩磁Ｂr 反映介质记忆能力的大小，矫顽力H c 反映铁磁材料是硬磁还是软磁。磁性材料的磁化特性不仅与

材料自身的性质有关，还与材料形状、磁化场频率及波形有关。

由于磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在实

验过程中磁化电流只允许单调地增加或减少，不能时增时减。

当从初始状态H =0、B =0开始周期性地改变H 的大小和方向

时，可以得到面积由大到小的磁滞回线簇，如图3所示。图3

的原点0和各磁滞回线的顶点a 1,a 2,a 3,…，a 所连成的曲线,

就是初始磁化曲线。

在测定初始磁化曲线时，首先必须将磁材料充分退磁，以

保证每次都是从原始状态（H =0，B =0）开始。退磁方法为：

先用大磁化电流让铁磁材料饱和磁化，然后缓慢减小交变电流，

利用逐渐衰减的交变电流对磁材料反复磁化，最后将电流调为

零，重复2~3次即可完全退磁。退磁回线是一串面积逐渐缩小

而最终趋于原点0的环状曲线，如图4所示。

为了得到稳定闭合的磁滞回线，磁材料的每个磁化状态都要反复磁化，这种反复磁化的过程称为磁锻炼。由于动态法测量磁化曲线采用交变电流，每个状态都经过充分的磁锻炼，所以可随时测得稳定闭合的磁滞回线。

2.实验原理

图3 磁滞回线簇 图4 退磁过程 图2 磁滞回线

如图5所示，待测样品为磁环，磁环的励磁线圈匝数为N 1，测量磁环磁感应强度B 的测量线圈匝数为N 2。R 1为励磁电流的取样电阻，R 2为积分电阻，C 为积分电容。在线圈N 1中通入磁化电流I 1，根据安培环路定律，磁环中产生的磁场H 为： L

I N H 11= （1） 式中L 为磁环样品的平均磁路长度。取样电阻R 1的输出电压为：

11R I U H = （2）

由式（1）和式（2）得：

H U LR N H 1

1= （3） 在式（3）中，N 1、L 、R 1为已知常数，只要测出U H ，就得到磁场强度H 。

设磁场H 在磁环样品中产生的磁感应强度为B ，由电磁感应原理可知，有效横截面积为S 2的测量线圈的磁通量Φ=BN 2S 2，测量线圈产生的感生电势为：

dt

dB S N dt d E 222-=Φ-= （4） 为了测量B ，用R 2C 电路对感生电势E 2进行积分，选择R 2和C 的数值使R 2>>1/ωc ，ω为励磁电流的频率，则E 2 ≈ I 2 R 2，积分电容C 的输出电压U B 为：

B CR S N dB CR S N dt E CR dt I

C C Q U U c B ⎰⎰⎰======2

22222211 （5） 由（式（5）得：

B U SN CR B 2

2= （6） 式（6）中，N 2、C 、S 、R 2为已知常数，只要测出U B ，就得到磁场感应强度B 。

【实验内容与步骤】

图6是FC10-II 型智能磁滞回线实验仪，包括样品测试箱（有红色和蓝色两个磁环样品）和LCD 智能测试仪两个部分，LCD 显示屏可代替示波器直接显示测量曲线和剩磁、矫顽力等数据，实验数据及输入参数可保存和随时调用。其详细使用方法见附录1。

1.选择测试箱的磁样品（红色或蓝色磁环）。红色磁环为软磁材料，蓝色磁环为硬磁图5 测量原理

电

源）