物理实验报告 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验２０铁磁材料的磁滞回线及基本

磁化曲线

铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。如航天、通信、自动化仪表及控制等都无不用到铁磁材料（铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物均属铁磁物质）。因此，研究铁磁材料的磁化性质，不论在理论上，还是在实际应用上都有重大的意义。本实验使用单片机采集数据，测量在交变磁场的作用下，两个不同磁性能的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。

【预习重点】

（１）看懂实验原理图及接线图。

（２）复习示波器的使用方法。

参考书：《电磁学》下册，赵凯华、陈熙谋著，第五、六章；《大学物理学》电磁学部分，杨仲耆等编，第六章。

【仪器】

磁滞回线实验组合仪、双踪示波器。

【原理】

１）铁磁材料的磁化及磁导率

铁磁物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁滞的特性。一般都是通过测量磁化场的磁场强度Ｈ和磁感应强度Ｂ之间的关系来研究其磁性规律的。

图２０—１起始磁化曲线和磁滞回线

图２０—２基本磁化曲线

当铁磁物质中不存在磁化场时，Ｈ和Ｂ均为零，即图２０—１中Ｂ～Ｈ曲线的坐标原点０。随着磁化场Ｈ的增加，Ｂ也随之增加，但两者之间不是线性关系。当Ｈ增加到一定值时，Ｂ不再增加（或增加十分缓慢），这说明该物质的磁化已达到饱和状态。Ｈm和Ｂm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度（对应于图中ａ点）。如果再使Ｈ逐渐退到零，则与此同时Ｂ也逐渐减少。然而Ｈ和Ｂ对应的曲线轨迹并不沿原曲线轨迹ａ０返回，而是沿另一曲线ａｂ下降到Ｂr，这说明当Ｈ下降为零时，铁磁物质中仍保留一定的磁性，这种现象称为磁滞，Ｂr称为剩磁。将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到Ｈ＝－Ｈc，磁感应强度消失，这说明要消除剩磁，必须施加反向磁场Ｈc。Ｈc称为矫顽力。它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力。图２０—１表明，当磁场按Ｈm→０→－Ｈc→－Ｈm→０→Ｈc→Ｈm次序变化时，Ｂ所经历的相应变化为Ｂm→Ｂr→０→－Ｂm→－Ｂr→０→Ｂm。于是得到一条闭合的Ｂ～Ｈ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），它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，对于初始态为Ｈ＝０，Ｂ＝０的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化的过程中，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图２０—２所示。这些磁滞回线顶点的连线称

图２０—３铁磁材料μ与Ｈ关系曲线

为铁磁材料的基本磁化曲线。由此可近似确定其磁导率μ＝Ｂ/Ｈ。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２０—３所示。在实际应用中，常使用相对磁导率μr＝μ/μ0。μ0为真空中的磁导率，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。

２）Ｂ～Ｈ曲线的测量方法

实验线路如图２０—４所示。待测样品为Ｅ１型矽钢片，励磁线圈匝数Ｎ1＝５０；用来测量磁感应强度Ｂ而设置的探测线圈匝数Ｎ2＝１５０；Ｒ1为励磁

电流取样电阻，Ｒ

１为０.５Ω～５.０Ω。设通过励磁线圈的交流励磁电流为Ｉ

１

，

根据安培环路定律，样品的磁化场强

（２０—１）

式中：Ｌ为样品的平均磁路，本实验Ｌ＝６０.０ｍｍ。设Ｒ

１的端电压为Ｕ

１

，

则可得

因此，（２０—２）

式（２０—２）中的Ｎ

１，Ｌ，Ｒ

１

均为已知常数，所以由Ｕ

１

可确定Ｈ。

图２０—４磁滞回线测量线路

样品的磁感应强度Ｂ的测量是通过探测线圈和Ｒ2Ｃ2组成的电路来实现的。根据法拉第电磁感应定律，在交变磁场下由于样品中的磁通量φ的变化，在探测线圈中产生的感生电动势的大小

（２０—３）

由式（２０—３）可推导出

（２０—４）

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

Ｅ＝Ｉ2Ｒ2＋Ｕ2

式中：Ｉ2为感生电流；Ｕ2为积分电容Ｃ2两端电压。设在Δｔ时间内，Ｉ2向电容Ｃ2的充电电量为Ｑ，则

Ｕ2＝Ｑ/Ｃ2

因此Ｅ＝Ｉ2Ｒ2＋Ｑ/Ｃ2

如果选取足够大的Ｒ2和Ｃ2，使Ｉ2Ｒ2>>Ｑ/Ｃ2，

则Ｅ＝Ｉ2Ｒ2

所以

（２０—５）

由式（２０—４）和式（２０—５）可得

（２０—６）

式中：Ｃ2，Ｒ2，Ｎ2和Ｓ均为已知常量（本实验中Ｃ2＝２０μＦ，Ｒ2＝１０ｋΩ，Ｓ＝８０mm2），所以测量Ｕ2可确定Ｂ。

【实验要求】

（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

１＝２.５Ω；“Ｕ选择”置于０位。ＵH和ＵB（即Ｕ１和Ｕ2）分别接示波器的“ｘ输入”和“ｙ输入”，插孔⊥为公共端。

（２）样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即按顺时针方向转动“Ｕ选择”旋钮，使Ｕ从０Ｖ增加至３Ｖ，然后逆时针方向转动旋扭使Ｕ从最大值降为０Ｖ，其目的是消除剩磁，即退磁过程，确保样品处于磁中性状态，即Ｈ＝Ｂ＝０，如图２０—５所示。

图２０—５退磁过程

（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Ｕ＝２.２Ｖ，分别调节示波器ｘ和ｙ轴的灵敏度，使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线（若图的顶部出现编织状的小环，可适当降低励磁电压Ｕ予以消除）。

（４）观察基本磁化曲线：按实验要求（２）对样品进行退磁，从Ｕ＝０开始，逐步提高励磁电压，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，借助长余辉示波器，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μ～Ｈ曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，连接实验仪和测试仪之间的连线。开启电源，对样品进行退磁后，按测试仪使用说明依次测定Ｕ＝０.５，１.０，…，３.０Ｖ时的１０组Ｈm和Ｂm值，作μ～Ｈ曲线。

＝２.５Ω测定样品１的Ｂm、Ｂr，Ｈc等参数。

（７）令Ｕ＝３.０Ｖ，Ｒ

１

（８）取实验要求（７）中的Ｈ和其相应的Ｂ值，用坐标纸绘制Ｂ～Ｈ曲线，实验数据点数可取３２～４０点即每象限８～１０点。

【思考题】

（１）观察样品１和样品２的磁滞回线的不同，说明样品１和２的磁性优劣？哪个样品为软磁材料，哪个样品为硬磁材料？

（２）变压器铁心用矽钢片叠合制成，为什么要用磁性能好的软磁材料制作？