磁滞回线的研究

、实验目的
磁滞回线的研究
1. 认识铁磁物质的磁化规律，比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性。

2. 测定样品的基本磁化曲线，作卩一H曲线。

3. 测定样品的H C、B r、&和（Hn • B m）等参数。

4. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

、实验原理
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。

其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率卩很高。

另一特征是磁滞，即磁化
场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强
度B与磁化场强度H之间的关系曲线。

图中的原点0表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B= H =0,当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，图1铁磁质起始磁化曲线和磁滞回线
并当H增至峠时，B到达饱和值B, oabs称为起始磁化曲线。

图1表明，当磁场从峠逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“ 0'点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比
较线段0S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，这现
象称为磁滞，磁滞的明显特征是当H= 0时，B不
为零，而保留剩磁Br。

当磁场反向从0逐渐变至-H D时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必
须施加反向磁场，H称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线
段RD称为退磁曲线。

图1还表明，当磁场按H s f 0宀h D T-H s f 0宀H D，T H S次序变化，相应的磁感
应强度B则沿闭合曲线SRD S ' R D S变化，这闭合曲线称为磁滞回线。

所以，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T去磁T反向磁化T反向去磁。

在此过程中要
消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。

应该说明，当初始态为H= B= 0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，由此可近似确定其磁导率卩
=B，因B与H非线性，故铁磁材
H
料的□不是常数而是随H而变化（如图3所示）。

铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛的主要原因之一。

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4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、矫图2同一铁磁材料的
一簇磁滞回线
顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。

而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。

2
2
观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。

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。

R i 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，样品的磁化场强 Ni
H _ L L
为样品的平均磁路 .U
1
1
1 —
R 1
.H 二 N
LR 1
2 (1) 图4不同铁磁材料的磁滞回线
（1）式中的N 、L 、R 1均为已知常数，所以由 U 1可确定H 。

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值 B 是测量绕组 n 和
R 2C 2电路给定的，根据法拉第 电磁感应定律，由于样品中的 磁通$的变化，在测量线圈中 d •: ；2 = n —
dt =— ;2 dt
n 产生的感生电动势的大小为 S 为样品的截面积。

如果 忽略自感电动势和电路损耗， 则回路方程为 半 1 B 2 dt
S nS " 图5实验线路
⑵
式中i 2为感生电流， U 2为积分电容C 2两端电压设在△ t 时间内，i 2向电 容C 2的充电电量为Q 则
Q Q
U 2 = ..£ 2 =
i 2R 2 C 2
如果选取足够大的 R 和 C ,使 i 2R 2>> Q ，则
C 2 dQ dt
dU dt dU dt
由（2）、（3）两式可得
B = U2
n S
(4) 上式中G、R、n和S均为已知常数。

所以由U可确定B o 综上所
述，将图5中的U和U分别加到示波器的“ X输入” 如将U和U加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度以及磁导率□等参数。

“ Y输入”便可观察样品的B-H曲线；
B S、剩磁B、矫顽力弘磁滞损耗〔BH〕
三、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R i =
2. 5 Q , “U选择”置于O 位。

U H和U2 （即U1和U2）分别接示波器的
“ X输入”和“ Y 输入”，插孔丄为公共端。

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
3. 观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标网格中心，
令图6退磁示意图
U
图7 U2和B的相位差等
因素引起的畸变
6所示。

U= 2.2V，并分别调节示波器x和
7所示，
y轴的灵敏度，使显示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，如图这时可降低励磁电压U
予以消除）。

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，将在显示屏上得到面积由
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，借助长余辉示波器，便可观察到
该曲线的轨迹。

5. 观察、比较样品1和样品2的磁化性能。

6. 测绘卩一H曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，接通实验仪和测试仪之间的连线。

开启电源，对
样品进行退磁后，依次测定U= 0.5 ,1.0, 3.0V时的十组 f和b值，作□〜H曲线。

7.令U= 3.0V , R1= 2.5 Q测定样品1的B m,B r H c和［BH］等参数。

8.取步骤7中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制B- H曲线（如何取数？取多少组数据？自行考虑）并估算曲线所围面积。

以上磁滞回线基本实验内容均可以由TH— MHC型智能磁滞回线测试仪完成，KH- MHC型智能磁滞回线测试仪除可以完成磁滞回线基本实验内容外，还具有与PC机数据通讯的功能。

用配带的串行通讯线将测
试仪后面板上的RS-232串行输出口与PC机的一个串行口相连接，在PC机中运行PCCOM.EX程序，计算
机就可以读取测试仪采集的数据信号，将实验数据保存在硬盘里，并可以在计算机显示屏上显示磁滞回线和其他曲线，详细使用说明参见附录n。

四、实验记录
表一
c r m
4 •实验接线示意图如图
二、测试仪1 所示
附录I
TH— MHC型智能磁滞回线测试仪
使用说明书
磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分一、实验仪
配合示波器，即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线。

它由励磁电源、试样、电路板以及实验接线图等部分组成。

1 .励磁电源
由220V, 50Hz的市电
经变压器隔离、降压后供试「
样磁化。

电源输出电压共分
11 档，即0、0.5、1.0、1.2、
1.5、1.8、
2.0、2.2、2.5、
2.8和
3.0V，各档电压通过安置在电路板上
的波段开关实现切换。

2 •试样
样品1和样品2为尺寸（平均磁路长
度L和截面积S）相同而磁性不同的两只
EI型铁芯，两者的励磁绕组匝数N和磁感
应强度B的测量绕组匝数n亦相同。

_ 2
N = 50, n = 150, L = 60mm S = 80mm。

3.电路板
该印刷电路板上装有电源开关、样品1和样品2、励磁电源“ U选择”和测量励磁电流（即磁场强度
H）的取样电阻“ R选择”、以及为测量磁感应强度B所设定的积分电路元件R a、G等。

以上各元器件（除电源开
关）均已通过电路板与其对
应的锁紧插孔连接，只需采
用专用导线，便可实现电路
连接。

此外，设有电压U B （正
比于磁感应强度B的信号
电压）和U H（正比于磁场
强度H的信号电压）的输出
插孔，用以连接示波器，观
察磁滞回线波形和连接测
试仪作定量测试用。

图2
图2所示为测试仪原理框图，测试仪与实验仪配合使用，能定量、快速测定铁磁性材料在反复磁化过 程中的H 和B 之值，并能给出其剩磁、矫顽力、磁滞损耗等多种参数。

测试仪面板如图3所示，下面对测试仪使用说明作介绍
1)参数 L 待测样品平均磁
路长度L = 60mm S 待测样品横截面
积 S = 80mrn 。

N 待测样品励磁绕 组匝数N= 50。

n 待测样品磁感应 强度B 的测
量绕组匝 数 n = 150。

R 励磁电流i H 取样 电阻，阻值 0.5〜5 图3
Q 。

R 积分电阻
阻值10K 。

C 2积分电容容量20卩f O U HC 正比于H 的有效值电压，供调试用。

电压范围(0〜IV )。

U Bc
正比于B 的有效值电压，供调试用。

电压范围(0〜IV )。

3 )测量准备
先在示波器上将磁滞回线显示出来，然后开启测试仪电源，再接通与实验仪之间信号连线。

4) 测试仪按键功能
(1) 功能键：用于选取不同的功能，每按一次键，将在数码显示器上 显示出相应的功能。

(2) 确认键：当选定某一功能后，按一下此键，即可进入此功能的执行程序。

(3) 数位键：在选定某一位数码管为数据输入位后，连续按动此键，使小数点右移至所选定的数据 输入位处，此时小数
点呈闪动状。

(4) 数据键：连续按动此键，可在有小数点闪动的数码管输入相应的数字。

(5)
复位键(RESET ：开机后，显示器将依次巡回显示
P, 8, P, &的信号，表明测试系统已准备 就绪。

在测
试过程中由于外来的干扰出现死机现象时，应按此键，使仪器进入或恢复正常工作。

5) 测试仪操作步骤
(1)所测样品的N 与L 值
按RESET 键后，当LED 显示P, 8, P, 8,时，按功能键，显示器将显示：
这里显示的N= 50匝、L = 60mm 为仪器事先的设定值(如要改写上述参数，可参阅附录I)
N. 0 0 5 0 B L. 0 6 0. 0
千匝 百匝 十匝 个匝
2)瞬时值H 与B 的计算公式 NU H
U B R 2C 2
B =-
nS
百毫米十毫米个毫米分毫米
按功能键，将显示：
H n. 0
B 1
5 0
S. 0 8 0. 0
千匝 百匝 十匝 个匝
百毫米2十毫米2个毫米2分毫米
廿訂¥)
_L
(2)所测样品的n 与S 值
这里显示的n = 150匝、S = 80mrh 为仪器事先的设定值(如要改写上述参数，可参阅附录I) (3) 电阻R 值和H 与B 值的倍数代号 按功能键，将显示：
r
1. 2.
5
0 B H. 3 B. 3
H
1
Q 0.1 Q 0.01 Q
H
与B 值的倍数代号
这里显示的 R = 2.5 Q 、H 与B 值的倍数代号
3为仪器事先的设定值 (如要改写上述参数，可参阅附录
I) °
注：H 与B 值的倍数是指其显示值需乘上的倍数
倍数及单位
X 10安/米 X 102安/米 X 103安/米 X 104安/米 X 105安/米
(4) 电阻艮、电容G 值
H
r 2. B
0. 0
G
2. 2 0. 0
10K 1K 0.1K
10
3 f 1 3 ' 0.1 3 f
这里显示的 民=10K Q 、G = 20卩f 为仪器事先的设定值(如要改写上述参数，可参阅附录I) 注：N L 、n 、S 、R 、
R 、G 2、H 与B 值的倍数代号等参数可根据不同要求进行改写，并可通过 操作存入串行EEROM 中，掉电后数据仍可保存。

(5) 定标参数显示(仅作调试用) 按功能键，将显示：
U. H 5 C
按确认键，将显示 U HG 和U G 电压值。

注：1、无输入信号时，禁止操作此功能键。

2、显示值不能大于1.0000，否则必须减小输入信号
(6) 显示每周期采样的总点数和测试信号的频率。

按功能键，将显示：
按确认键，将显示出每周期采样的总点数 (7 )数据采样 按功能键将显示：
1 2
值倍数
4 5
1 2
值倍数
4 5
倍数代号
3
倍数及单位
X 10-1特斯拉
X 1 特斯拉 X 10特斯拉 X 102特斯拉
X
103特斯拉
SEEP
n.
B
F.
n 和测试信号的频率 f °
倍数代号
test
按确认键后，仪器将按步序（6）所确定的点数对磁滞回线进行自动采样，显示器显示为:
H B
若测试系统正常，稍等片刻后，显示器将显示“
G00”表明采样成功，即可进入下一步程序操作。

如果显示器显示“ BAD 表明系统有误，查明原因并修复后，按“功能”键，程序将返回到数据采样 状态，重新进行数据采样。

（8）显示磁滞回线采样点 H 与B 的值
连续按两次功能键，将显示：
H B 和B 之值），采样总点数参照步序（6）, H 与B 值的倍数参照步序（3）。

显示点的顺序，是依磁滞回线的第 4、1、2和3象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样信号出错。

若在进行第（7）步序中只按功能键而未按确认键（表明未完成数据采样就进入第（ 8）步序，此时将
显示：“NO DATA',表明系统或操作有误）。

（9）显示磁滞回线的矫顽力 H e 和剩磁B 按功能键，将显示：
H
B
H c.
按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出 （10）显示样品的磁滞损耗 按功能键，将显示：
按确认键，将按步序（3）所确定的单位显示样品磁滞回线面积。

磁滞损耗的计算公式：
W =/sHdb
单位为H X B X 103焦耳/米3 （单位参照步序（3））
（11）显示H 与B 的最大值H m 与&
按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出 H m 与B 之值。

（12）显示H 与B 的相位差 按功能键，将显示：
B P H R.
按确认键,如显示为：
H. B B. H.
S B H
O W.
B. S H O W.
每按—次确认键，将显示曲线上一点的
B r.
与B 之值。

H. B.
Hm.
B
Bm.
按确认键，进入联机状态（参阅附录n ） （14） U H C 电压校准操作（调试时用） 按功能键，将显示：
（16） SEEP 操作（数据存入 EEPRO M 93C46） 按功能键，将显示：
方法：在H 显示器的最高两位上写入存入码“ 96”；
按确认键，片刻后，回显“ 85”，说明数据已存入 EEPRO 中o （17）程序结束 按功能键，将显示：
注意事项：
1 、如按仪器事先设定值输入 N 、L 、n 、S 、R 1、民、G 、H 与B 的倍数代号等参数，则不必按确认键;
如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。

2 、按常规操作至步序（12）（显示H 与B 的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失，必须重新进 行数据采
样。

3、测试过程中如显示器显示“ COU 字符，表示应继续按动功能键。

附录I 数位键和数据键操作 若改写样品的某项参数，如将 N= 50匝，L = 60mm 改写N= 100匝，L = 80mm 可按如下步骤进行。

按功能键，显示器将显示
1 、将N 由50匝改写为100匝
上例显示表示，H 与B 的相位差是25.5 （13）与PC 联机测试操作 按功能键，将显示：
，在相位上 U H 超前U B o
（15） U BC 电压校准操作（调试时
H
千匝 百匝十匝个匝 百毫米十毫米个毫米分毫米
按动数位键，使位于B窗口数据框内“个毫米”处的小数点右移至“分毫米”处；再按动数位键，使小数点渐次移入H窗口“百匝”（即数据输入位）处。

H N 0 0. 5 0
按动数据键，将小数点位处数码管数字“0”改写为“ 1
H N 0 1. 5 0
再按动数位键，使小数点右移一位至“十匝”处（数据输入位）
N 0 1 0 0.
至此，样品匝数已由50改写为100。

2、将L由60mm改写为80mm
操作方法同上
连续按动数位键，使小数点由H窗口的“个匝”处右移至B窗口“十毫米处”（数据输入位）
L 0 6. 0 0
按动数据键，将小数点位处的数码管数字“6”改写为“ 8”
L 0 8. 0 0
再按动数位键，使小数点右移一位至“个毫米”处
至此，样品平均磁路长度L已由60改写为80。

3、按确认键，当显示器显示“ 1 ”，表明修改后的N L值已输入。

4、若要将改写后的数据存入EEPROM中，请参阅操作步序（16）。

实验数据及绘图
表一
表二.B-H 曲线H c=0.048 X 10 3安/ 米B r= 0.083 X 10 T m
11
B-H曲线
基本磁化曲线
□3 —0/1。

T
口―H曲
线
1.4 pi X 10享利/米
李林执笔
12。