实验C 磁化曲线和磁滞回线测量--教材(A4纸)

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。

(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

图1初始磁化曲线

图2 磁滞回线

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

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：

图3 磁滞回线簇

图4 退磁过程 图5 测量原理

电

源）

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

2222221

1 （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，蓝色磁环为硬磁材料，它们的几何参数相同：截面S =124mm 2，平均磁路长度L =130mm ，N 1 =N 2 =100匝。

按图6连线：将测试箱信号源的输出端连到磁样品的励磁线圈输入端，将磁样品测量线圈的输出端连到RC 积分电路的输入端，将测试箱U H 和U B 的输出端分别接到LCD 智能测试仪的U H (X)和U B (Y)的输入端，并将它们的接地端相连。

2.选取测试箱元件参数。取样电阻R 1=5.5

Ω，积分电阻R 2=30K Ω，积分电容C = 3μF ，保

证R 2>>1/ωc 。注意：R 2不能小于10 K Ω，C 不能

小于1μF ，否则磁滞回线会畸变。

3.观察磁滞回线簇和初始磁化曲线

（1）接通实验仪电源，选取励磁信号源

的幅度和频率。励磁信号源为正弦波，频率在

20~200Hz 连续可调，并由4位数码管显示，幅度可用波段开关分档可调。

选取正弦信号的频率（如50Hz ），幅度波段开关放合适位置（如I 档）。

（2）用LCD 智能测试仪观测磁滞回线簇和初始磁化曲线

① 打开LCD 智能测试仪的电源后，LCD 显示初始界面，屏幕右下角显示“F S ”字符，表示目前可以响应“S/预置”键和“F/采样间隔“键，其他按键目前暂不能响应。说明：按键上的“数字”或“字母”代表该键编号，按键上的“汉字或+1/-1”代表该键的功能。

② 按“S/预置”键：通过“ 0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”键来设置“取样电阻R 1、积分电阻R 2、积分电容C ”参数，以便微电脑可以根据实验数据计算B 或H 值，描绘磁滞回线或磁化曲线。磁样品的“L 、横截面积S 、励磁线圈匝数N 1、测量线圈匝数N 2”已经预置好，不要修改。参数设置好后，按“D/确定”键，保存设置参数。此时LCD 上显示B-H 直角坐标轴。

③ 按“5/回线簇”键：自动测量并显示一条与励磁正弦信号幅度相对应的磁滞回线。依次将励磁正弦信号的幅度波段开关调至II 档、III 档，…，则自动测量并显示面积逐次增大的其他磁滞回线，得到磁滞回线簇（共测6条磁滞回线），将原点0与各磁滞回线的顶点a 1,a 2,a 3,…，a 相连,得到初始磁化曲线。观察并记录这些磁滞回线的形状与特征，以便与后面逐点测量的磁滞回线比较。

4.逐点测量初始磁化曲线

图6 FC10-II 型智能磁滞回线试验仪