铁磁材料动态磁滞回线实验

动态磁滞回线实验
预习题
1、磁性材料的分类？什么是动态磁滞回线？
2、硬磁材料的交流磁滞回线与软磁材料的交流磁滞回线有何区别？
磁性材料在通讯、计算机和信息存储、电力、电子仪器、交通工具等领域有着十分广泛的应用。

磁化曲线和磁滞回线反映磁性材料在外磁场作用下的磁化特性，根据材料的不同磁特性，可以用于电动机、变压器、电感、电磁铁、永久磁铁、磁记忆元件等。

铁磁材料分为硬磁和软磁两类。

硬磁材料（如模具钢）的磁滞回线宽，剩磁和矫顽磁力较大（120-20000安/米，甚至更高），因而磁化后，它的磁感应强度能保持，适宜制作永久磁铁。

软磁材料（如铁氧体）的磁滞回线窄，矫顽磁力小（一般小于120安/米），但它的磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，故常用于制造电机、变压器和电磁铁。

可见，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构或仪表的依据之一。

动态磁滞回线是磁性材料的交流磁特性，其在工业中有重要应用，因为交流电动机、变压器的铁芯都是在交流状态下使用的。

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。

一．实验目的
1. 了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的重要物理量矫顽力、剩磁和磁导
率的理解。

2. 用示波器测量软磁材料（软磁铁氧体）的磁滞回线和基本磁化曲线，求该材料的饱和磁感应强度
Bm、剩磁Br和矫顽力Hc。

3. 学习示波器的X轴和Y轴用于测量交流电压时，各自分度值的校准。

4. 用示波器显示硬铁磁材料（模具钢）的交流磁滞回线，并与软磁材料进行比较。

5. 学习精确测量电阻和电容的实验方法，测量不同阻值电阻和未知电容。

6. 学习用计算机测量磁性材料动态磁滞回线和磁化曲线的方法。

(选配计算机接口后完成)
二. 实验原理
1、铁磁物质的磁滞现象
铁磁性物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁性的原因。

一般都是通过测量磁化场的磁场强度H 和磁感应强度B 之间关系来研究其磁化规律的。

如下图1所示，当铁磁物质中不存在磁化场时，H 和B 均为零，在H −B 图中则相当于坐标原点O 。

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 不再增加或增加的十分缓慢，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 逐步退到零，则与此同时B 也逐渐减小。

然而，其轨迹并不沿原AO 曲线，而是沿另一曲线AR 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。

将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到H=−Hm ，这时曲线达到A′
点(即反向饱和点)，然后，先使磁化场退回到H=0；再使正向磁化场逐渐增大，直到饱和值Hm 为止。

如此就得到一条与AR A′对称的曲线A′R′A ,而自A 点出发又回到A 点的轨迹为一闭合曲线,称为铁磁物质的磁滞回线，此属于饱和磁滞回线。

其中，回线和H 轴的交点Hc 和Hc′称为矫顽力,回线与B 轴的交点Br 和Br ′,称为剩余磁感应强度。

2、利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线 电路原理图如图2所示。

将样品制成闭合环状，其上均匀地绕以磁化线圈及副线圈。

交流电压加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻，将两端的电压加到示波器的X 轴输入端上。

副线圈与电阻和电容C 串联成一回路，将电容两端的电压加到示波器的Y 轴输入端，这样的电路，在示波器上可以显示和测量铁磁材料的磁滞回线。

图2 用示波器测动态磁滞回线的电路图（图中正弦交流电源浮地）
1） 磁场强度H 的测量
设环状样品的平均周长为l ，磁化线圈的匝数为1N ，磁化电流为交流正弦波电流1i ,由安培回路定律,11i N Hl =，而111i R u =,所以可得
1
1
1R l u N H ⋅⋅=
（1） 式中，1u 为取样电阻1R 上的电压。

由公式（1）可知，在已知1R 、l 、1N 的情况下，测得1u 的值，即可用公式（1）计算磁场强度H 的值。

2．磁感应强度B 的测量
设样品的截面积为S ，根据电磁感应定律，在匝数为2N 的副线圈中感生电动势2E 为 dt
dB
S
N E 22-= （2） (2)式中，dt dB 为磁感应强度B 对时间t 的导数。

若副线圈所接回路中的电流为2i ，且电容C 上的电量为Q ，则有 C
Q
i R E +
=222 (3) 在（3）式中，考虑到副线圈匝数不太多，因此自感电动势可忽略不计。

在选定线路参数时，将
2R 和C 都取较大值，使电容C 上电压降22i R C
Q
u C 〈〈=
,可忽略不计，于是（3）式可写为 222i R E = (4)
把电流dt
du C dt dQ
i C ==
2代入（4）式得 dt
du C
R E C
22= (5) 把（5）式代入（2）式得 S
dt
du C R dt dB
S
N C 22=- 在将此式两边对时间积分时，由于B 和C u 都是交变的，积分常数项为零。

于是，在不考虑负号（在这里仅仅指相位差±π）的情况下，磁感应强度B
S
N Cu R B C
22=
(6) 式中，2N 、S 、2R 和C 皆为常数，通过测量电容两端电压幅值C u 代入公式（6），可以求得材料磁感应强度B 的值。

当磁化电流一个周期，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，以后每个周期都重复此过程，形成一个稳定的磁滞回线。

3．B 轴（Y 轴）和H 轴（X 轴）的校准
虽然示波器Y 轴和X 轴上有分度值可读数，但该分度值只是一个参考值，存在一定误差，且X 轴和Y 轴增益可微调会改变分度值。

所以，用数字交流电压表测量正弦信号电压，并且将正弦波输入X 轴或Y 轴进行分度值校准是必要的。

将被测样品(铁氧体)用电阻替代，从R1上将正弦信号输入X 轴，用交流数字电压表测量R1两端电压有效U ，从而可以计算示波器该档的分度值(单位V/cm),见图3。

须注意:
1、 数字电压表测量交流正弦信号，测得值为有效有效U 。

而示波器显示的该正弦信号值为正弦
波电压峰-峰值峰峰-U 。

两者关系是 有效峰
峰U 22U -= （7）
2、用于校准示波器X 轴档和Y 轴档分度值的波形必须为正弦波，不可用失真波形。

用上述方法可以对示波器Y 轴和X 轴的分度值进行校准。

三．实验仪器及装置
动态磁滞回线实验仪由可调正弦信号发生器、交流数字电压表、示波器、待测样品（软磁铁氧体、硬磁Cr12模具钢）、电阻、电容、导线等组成。

其外型 结构如图4所示。

四．实验内容
（一）观察和测量软磁铁氧体的动态磁滞回线
1．按图2要求接好电路图。

2．把示波器光点调至荧光屏中心。

磁化电流从零开始，逐渐增大磁化电流，直至磁滞回线上的磁感应强度B达到饱和 (即H值达到足够高时，曲线有变平坦的趋势，这一状态属饱和)。

磁化电流的频率f取50Hz左右。

示波器的X轴和Y轴分度值调整至适当位置，使磁滞回线的Bm和Hm值尽可能充满整个荧光屏，且图形为不失真的磁滞回线图形。

3．记录磁滞回线的顶点Bm和Hm，剩磁Br和矫顽力Hc三个读数值（以长度为单位），在作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。

4．对X轴和Y轴进行校准。

计算软磁铁氧体的饱和磁感应强度Bm和相应的磁场强度Hm、剩磁Br 和矫顽力Hc。

磁感应强度以T为单位，磁场强度以A / m为单位。

5. 测量软磁铁氧体的基本磁化曲线。

现将磁化电流慢慢从大至小，退磁至零。

从零开始，由小到大测量不同磁滞回线顶点的读数值Bi和Hi，用作图纸作铁氧体的基本磁化曲线(B−H关系)
(二) 观测硬磁Cr12模具钢(铬钢)材料的动态磁滞回线
1. 将样品换成Cr12模具钢硬磁材料，经退磁后，从零开始电流由小到大增加磁化电流，直至磁
滞回线达到磁感应强度饱和状态。

磁化电流频率约为f=50Hz 左右。

调节X 轴和Y 轴分度值使磁滞回线为不失真图形。

(注意硬磁材料交流磁滞回线与软磁材料有明显区别，硬磁材料在磁场强度较小时，交流磁滞回线为椭圆形回线，而达到饱和时为近似矩形图形，硬磁材料的直流磁滞回线和交流磁滞回线也有很大区别。

(见参考资料7)
2. 对X 轴和Y 轴进行校准，并记录相应的Bm 和Hm, Br 和Hc 值，在作图纸上近似画出硬磁材料在达到饱和状态时的交流磁滞回线。

五．实验数据处理
1、软磁铁氧体基本磁化曲线与磁滞回线的测量 （1）软磁铁氧体磁滞回线测量
记录Hc 在示波器上显示 cm ，Br 在示波器上显示 cm ，Bm 在示波器上显示 cm ， 在作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。

（2）软磁铁氧体磁化曲线
已知铁氧体环状样品，外径mm 0.381=Φ，内径mm 0.232=Φ，高mm l H 0.10=，平均周长
m l 321108.952/)(-⨯=Φ+Φ=π，磁环截面积262110752/)(m l S H -⨯=⋅Φ-Φ=。

注意由于基本磁化曲线各段的斜率并不相同，一条曲线至少20余个实验数据点，实验结果如表1所示。

（本示波器1div=1 cm ，估读至1/4小格，即0.05cm
表1 软磁铁氧体基本磁化曲线的测量
根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线（坐标值作图）：
2、硬磁铁氧体基本磁化曲线与磁滞回线的测量
（1）硬磁铁氧体磁滞回线测量
记录Hc在示波器上显示 cm，Br在示波器上显示 cm，Bm在示波器上显示 cm，在作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。

（2）硬磁铁氧体磁化曲线
表2 硬磁铁氧体基本磁化曲线的测量
根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线（坐标值作图）：
六、思考题：
1. 在测量H−B曲线过程，为何不能改变X轴和Y轴的分度值？
2. 示波器显示的正弦波电压值与交流电压表显示的电压值有何区别？两者之间如何换算？。