磁滞回线实验-实验说明

研究铁磁材料的 磁滞回线和基本的磁化曲线

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。

铁磁材料分为硬磁和软磁两大类，其根本区别在于矫顽磁力C H 的大小不同。硬磁材料的磁滞回线宽，剩磁和矫顽磁力大（达m /A 102~1204×以上），因而磁化后，其磁感应强度可长久保持，适宜做永久磁铁。软磁材料的磁滞回线窄，矫顽磁力C H 一般小于m /A 120，但其磁导率和饱和磁感强度大，容易磁化和去磁，故广泛用于电机、电器和仪表制造等工业部门。磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料的重要特性，也是设计电磁机构作仪表的重要依据之一。

【实验目的】

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H ~µ曲线。 3．测定样品的C H 、r B 、m B （m m B H •）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µ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1中的原点0表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即0H B ==，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，并当H 增至S H 时，B 到达饱和值S B ，oabs 称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从S H 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，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当0H =时，B 不为零，而保留剩磁r B 。

当磁场反向从0逐渐变至D H −时，磁感应强度B 消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，D 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S C S C S H H 0H H 0H →→→−→−→→次序变化，相应的磁感应强度B 则沿闭合曲线S C R S SRC ′′′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→去磁→反向磁化→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0B H ==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H

B

=

µ ，因B 与H 非线性，故铁磁材料的µ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，非常适合于用来制造永磁体。观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图5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。1R 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：

L

Ni

H =

L 为样品的平均磁路

1R U

i =

（1）

（1）式中的N 、L 、1R 均为已知常数，所以可以根据1来确定H 的数值。

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C R 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

ϕ的变化，

在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：

dt n 1

2ε

∫=

ϕ dt nS

1

S B 2ε∫=ϕ= （2）

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：

2222U R i +•=ε

dt d n

2ϕ=ε

式中2i 为感生电流，2U 为积分电容C 两端电压设在t ∆时间内，2i 向电容C 的充电电量为Q ，则： 22C Q U =

∴ C

Q R i 222+=ε 如果选取足够大的2R 和C ，使C

Q

R i 22>>

，则：222R i •=ε ∵dt

dU C dt dQ i 2

2•

==

∴dt dU R C 222••=ε （3） 由（2）、（3）两式可得：

（4）

上式中n ,R ,C 2和S 均为已知常数。所以可以根据2U 来确定B 。 综上所述，将图5中的1U 和2U 分别加到C 310FB 微机型磁滞回线实验仪的信号输入端“)X (U H ”和“)Y (U B ”, C 310FB 实验仪的USB 接口与PC 机的USB 接口连接,可观察样品的H B −曲线；可测定样品的饱和磁感应强度S B 、剩磁r B 、矫顽力D H 、磁滞损耗（BH ）以及磁导率µ等参数。 【实验仪器】

FB310A 型磁滞回线实验仪、FB310C 微机型磁滞回线组合实验仪、示波器（自备、几组

共用）

【实验内容】

一. 用A 310FB 磁滞回线实验仪、示波器观察磁滞回线和磁化曲线：

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Ω=5.2R 1，“U 选择”置于0位。

H U 和2U （即1U 和2U ）分别接示波器的“X 输入”和“Y 输入”，插孔上为公共端。

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U 从0增至V 3，然后逆时针方向转动旋钮，将U 从最大值降为0，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即0H B ==，如图6所示。 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V 2. 2U =，并分别调节示波器X 和Y