磁性材料基本特性的研究

实验报告
姓名：什么情况班级：F10 学号：51 实验成绩：
同组姓名：实验日期：2011- 指导老师：助教批阅日期：
磁性材料基本特性的研究
【实验目的】
1．了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线概念，加深对铁磁材料的主要物理量矫顽磁力、剩磁和磁导率的理解；
2．利用示波器观察并测量磁化曲线与磁滞回线；
3．测定所给定的铁磁材料的居里温度．
【实验原理】
1．磁化性质
一切可被磁化的物质叫作磁介质。

磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M、磁场强度H来描述，它们满足一定的关系
μr的不同一般可分为三类，顺磁质、抗磁质、铁磁质。

对非铁磁性的各向同性的磁介质，H和B之间满足线性关系，B =μH，而铁磁性介质的m 、B 与H 之间有着复杂的非线性关系。

一般情况下，铁磁质内部存在自发的磁化强度，当温度越低自发磁化强度越大。

如图一所示。

图一B~ H曲线图二μ~ T曲线
它反映了铁磁质的共同磁化特点：在刚开始时随着H的增加，B缓慢的增加，此时μ较小；而后便随H的增加B急剧增大，μ也迅速增加；最后随H增加，B趋向于饱和，而此时的μ值在到达最大值后又急剧减小。

图一表明了磁导率μ是磁场H的函数。

B-H曲线表示铁磁材料从没有磁性开始磁化，B随H的增加而增加，称为磁化曲线。

从图二中可看到，磁导率μ还是温度的函数，当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态，在曲线上变化率最大的点所对应的温度就是居里温度T C。

2．磁滞性质
铁磁材料除了具有高的磁导率外，另一重要的特性是磁滞现象．当铁磁材料磁化时，磁
感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且与
磁化的历史有关，如图3所示．曲线OA表示铁磁材
料从没有磁性开始磁化，B随H的增加而增加，称
为磁化曲线．当H值到达某一个值H S时，B值几乎
不再增加，磁化趋于饱和．如使得H减少，B将不
再沿着原路返回，而是沿另一条曲线AC'A'下降，当
H从-H S增加时，B将沿着A'CA曲线到达A形成一
闭合曲线．其中当H = 0时，|B| = Br，Br称为剩余
磁感应强度．要使得Br为零，就必须加一反向磁场，
当反向磁场强度增加到H = -H C时，磁感应强度B为零，达到退磁，HC称为矫顽力．各种铁磁材料有不同的磁滞回线，主要区别在于矫顽力的大小，矫顽力大的称为硬磁材料，矫顽力小的称为软磁材料．
3．用交流电桥测量居里温度
铁磁材料的居里温度可用任何一种交流电桥测量。

本实验采用如图所示的RL交流电桥，
图三RL交流电桥
在电桥中输入电源由信号发生器提供，在实验中应适当选择不同的输出频率ω为信号发生器的角频率。

选择合适的电子元件相匹配，在未放入铁氧体时，可直接使电桥平衡，但当其中一个电感放入铁氧体后，电感大小发生了变化，引起电桥不平衡。

但随着温度的上升到某一个值时，铁氧体的铁磁性转变为顺磁性，CD两点间的电位差发生突变并趋于零，电桥又趋向于平衡，这个突变的点对应的温度就是居里温度。

实验中可通过桥路电压与温度的关系曲线，求其曲线突变处的温度，并分析研究在升温与降温时的速率对实验结果的影响。

4．用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线
本实验研究的是闭合状的铁磁圆环样品，平均周长为L，励磁线圈的匝数为N1，若励磁电流为i1时，在样品内满足安培环路定律
HL=N1i1
在示波器横轴的偏转板的输入电压为
这表明横轴输入的u R1大小与磁场强度H成正比。

设样品的截面积为S，匝数为N2的次级线圈中根据电磁感应定律，同样可分析得到电容两端的电压与磁感应强度的关系。

上式表明Y轴输入的大小u C与磁感应强度B成正比。

【数据记录与处理】
1.样品饱和磁滞曲线的测量
1）观察不同情况下样品被磁化的过程
a)调节 R B时可以发现，回线在竖直方向上被拉伸或压缩。

根据公式（6）可以得知，
与R B成反比，因此不难解释，当R B增大时，示波器上的回线会在竖直方向上被压缩，反之则会被拉伸
b)信号源频率不同时，示波器上的回线也会发生变化，当频率过低时，回线发生变
形，可能是因为次级线圈的自感在此时不能忽略造成的
2）选择合适的R B值
综合考虑到回线在示波器上的形状和次级线圈自感电动势的影响，认为应该选择较大的R B值，调整合适后用万用表测得R B= 2.093kΩ
3）测量回线上点的电压值
实验中选择了17个点，分别测量其X方向和Y方向的电压值，数据如下表：
4)磁滞回线及相关量的计算
H/A∙m−1B/ H/A∙m−1B/ -36.6-0.45819.00.316 -27.7-0.40813.90.203 -13.9-0.16713.30.157 -10.90.00010.50.000
-6.60.161 6.4-0.157
0.00.2610.0-0.261
6.90.316-5.7-0.313
13.90.362-27.7-0.434
32.40.439
图中的磁滞回线的形状与课本上的理论曲线符合较好，说明实验进行得较为成功。

由图得：
{
B r=0.261 −B r=−0.261 B s=0.439
−B s=−0.458 H c=10.5A∙m−1
−H c=−10.9A∙m−1 H s=32.4A∙m−1−H s=−36.6A∙m−1考虑到原点的定位误差
⇒
{
B r=
B r−(−B r)
2
=0.261
B s=0.449
H c=10.7A∙m−1
H s=34.5A∙m−1
被测样品的磁滞回线
2.电桥法测量铁氧体的居里温度T C
1）数据测量
实验数据如下表：
根据实验数据作图，见下页。

根据图像可以发现，在前期，铁氧体的Ucd随着温度的升高而缓慢下降，但是基本上保持不变，说明此时铁氧体仍具有铁磁性。

在75左右，Ucd突然急剧下降到个位数水平，说明到达了铁氧体的居里温度，铁磁性消失，转变为顺磁性。

之后Ucd随温度的变化在常值附近波动。

为了取得居里温度的精确值，对Ucd求导，在导数图像中找到最小值点，即Ucd变化率最大的点，这点对应的温度即为居里温度。

在本次实验中，居里温度为77。

铁氧体的Ucd-T 曲线
铁氧体的
d U cd dt
～T 曲线
( )
( )
（V /s ）
【误差分析】
1.实验中，使用示波器上的标尺来测量x方向和y方向的电压，由于示波器上回线较粗，
也由于人眼的定位误差，所读取的电压值会和真实值有所偏离。

为了避免这种情况，可以考虑采用电子测量设备，如能够自动采集数据的示波器等。

2.由于电路元件年代久远，实际阻值与标称值可能有所偏离，这也会造成误差。

3.尽管R B的阻值直接由万用表测得，但由于R B十分巨大，因此测量值的误差较小。

4.测定居里温度时，研究Ucd和T的变化，但是Ucd还和电感大小有关，举例来说，如
果敲一下桌子，改变了铁氧体在线圈中的位置，Ucd也会发生变化。

因此实验时应该保持装置稳定，确保铁氧体位置不变。

5.将铁氧体放入线圈后，必须始终检查电压表读数，保证其远大于未放铁氧体时的值。

否
则在加热过程中Ucd的变化就不会很大，突变不明显，难以确定居里温度。

6.测定居里温度时使用了管式加热炉，利用电阻丝加热管内空气来达到加热目的。

而铁氧
体位于电感线圈中，若加热过快，则空气温度将高于铁氧体温度，即温度计的读数和实际温度会产生误差；另一方面，根据实验教材的说法，在这种情况下，磁性突变的温度不精确等于居里温度，这也造成了误差。

为了减小这种误差，应该将加热器的电压控制在合适的值，实验中保持在25V左右。

7.在居里温度附近，Ucd发生突变，但是由于采用了人工读数方式，无法快速采集数据，
因此无法做出完整的Ucd～T图像，也无法精确找到那个真正的Ucd变化率最大点。

【实验总结及思考】
本实验测定了铁磁材料磁滞回线和铁氧体的居里温度。

在第一部分的实验中，测得样品的磁滞回线参数如下：
B r=0.261
B s=0.449
H c=10.7A∙m−1
H s=34.5A∙m−1
在第二部分的实验中，测得样品铁氧体的居里温度为77。

为了能够让人在示波器上直观的观察回线图案，实验中采用了交流源，利用精心设计的电路将H和B分别与电压建立关系，并在示波器上输出。

但这也造成了磁化曲线的转瞬即逝的情况。

为了观察磁化曲线，可以考虑使用直流恒流源，先将原样品退磁，然后从零开始将恒流源电流单调增大，记录不同电流时的电压Uc，直到Uc趋于不变为止。

然后描点绘出磁化曲线。

另一方面，如果有计算机采样设备的话，采用交流源也未尝不可。

【实验体会】
个人感觉这个实验的设计十分精巧，使得实验操作较为简单，并且能够得出直观而清晰的结果。

这是我的最后一个大学物理实验，在做了这么多实验之后，我觉得一个成功的物理实验，不仅需要规范的操作，更需要精巧的设计，不过设计一个物理实验似乎是在我能力之外了，就只好在这两个学期中浅尝一下物理实验之美了。