磁化曲线

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

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。铁磁材料的性能需通过相关曲线及有关参数进行了解，以便根据不同的需要合理地选取铁磁材料。本实验主要学习铁磁材料有关曲线的描绘方法及材料参数的测量方法。

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μ—H 曲线。

3、测定样品的H c 、B r 、H m 、B m 和（H ·B ）等参数。

4、测绘样品的磁滞回线，估算磁损耗。 二、实验原理

铁磁材料在外磁化场作用下可被强烈磁化，故磁导率μ很高。另一特征是磁滞，就是磁化场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态。用图形表示铁磁物质磁滞现象的曲线称为磁滞回线，它可以通过实验测得，如图3.3-1所示。

H

－

图3.3-1 铁磁材料磁滞回线图

当磁化场H 逐渐增加时，磁感应强度B 将沿OM 增加，M 点对应坐标为（H m 、B m ），

即当H 增大到H m 时、B 达到饱和值B m 。OM 称为起始磁化曲线，如果将磁化场H 减小，B 并不沿原来的曲线原路返回，而是沿MR 曲线下降，即使磁化场H 减小到零时，B 仍保留一定的数值Br ，OR 表示磁化场为零时的磁感应强度，称为剩余磁感应强度（Br ）。当反向磁化场达到某一数值时，磁感应强度才降到零。强制磁感应强度B 降为零的外加磁化场的大小H c ，称为矫顽力。当反向继续增加磁化场，反向磁感应强度很快达到饱和M ' (－H m 、－B m )点，再逐渐减小反向磁化场时，磁感应强度又逐渐增大。图3.3-1还表明，当磁化场

按H m →O →H c →-H m →O →c

H '→H m 次序变化时，相应的磁感应强度B 则沿闭合曲线MRC C R M '''M 变化，这闭合曲线称为磁滞回线。由于铁磁物质处在周期性交变磁场中，

铁磁物质周期性地被磁化，相应的磁滞回线称为交流磁滞回线，它最能反映在交变磁场作用下样品内部的磁状态变化过程，磁滞回线所包围的面积表示在铁磁物质通过一磁化循环中所消耗的能量，叫做磁滞损耗，在交流电器中应尽量减小磁滞损耗。从铁磁物质的性质和使用方面来说，它主要按矫顽力的大小分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料矫顽力小，磁

滞回线狭长，它所包围的“面积”小，在交变磁场中磁滞损耗小，因此适用于电子设备中的各种电感元件、变压器、镇流器中的铁芯等。硬磁材料的特点是矫顽力大，剩磁Br 也大，这种材料的磁滞回线“肥胖”，磁滞特性非常显著，制成永久磁铁用于各种电表、扬声器中等，软磁与硬磁材料的磁滞回线如图3.3-2所示。

应该说明，当初始状态为H=B=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依

（a ）软磁材料磁滞回线 （b ）硬磁材料的磁滞回线

图3.3-2软、硬铁磁材料磁滞回线比较

次进行磁化时，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图3.3-3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μ=

H

B ，因为B

与H 非线性，故铁磁材料的μ不是常数而要随磁化场H 而变化，如图3.3-4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。

图3.3-3 同一铁磁材料的一簇磁滞回线 图3.3-4 铁磁材料μ与H 关系曲线 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图3.3-5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。R 1为

U R 2

U 1

图3.3-5实验线路图

励磁电流取样电阻，设通过N 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

L

Ni H 1=

L 为样品的平均磁路长度

又因为 i 1=1

1R U

所以 11

U LR N H ⋅=

（3.3-1）

（3.3-1）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 可由测量绕阻n 和R 2C 电路求出，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应电动势的大小为

dt

d n

φε=

φ=⎰dt n

ε

1

B=

⎰=

dt nS

S

ε

φ

1 （3.3-2）

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 222U R i +=ε

式中i 2为次级线圈中的电流，U 2为积分电容C 两端电压，设在△t 时间内i 2向电容C 的充电量为Q ，则

U 2=

C

Q

则C

Q R i +

=22ε

如果选取足够大的R 2和C ，使i 2R 2>>

C

Q ，则近似有

22R i =ε

又因为i 2=

dt

dU C dt

dQ 2

=

所以dt

dU CR 2

2

=ε

（3.3-3）

由（3.3-2）、（3.3-3）两式可得 B=

22U nS

CR ⋅

上式中C 、R 2、n 、S 均为已知常数，所以由U 2可确定B 。

综上所述，将图3.3-5中的U 1和U 2分别加到示波器的“X 输入”和“Y 输入”端便可观察到样品的B —H 曲线，如将U 1和U 2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度B m 、剩磁B r 、矫顽力H c 、磁滞损耗[BH]以及磁导率μ等参数。

三、实验仪器

TH —MHC 型智能磁滞回线测试仪（包括实验仪、测试仪）。双踪示波器。 四、实验内容及要求

1、连接电路：选择样品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位置。U H 和U B （即U 1和U 2）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，即顺时针方向转动“U 选择”旋钮，令U 从0增到3V ，然后逆时针方向转动旋钮，将U 从最大值降为0V ，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B=H=0。

3、观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标原点（0，0），令U=2.2V ，并分别调节示波器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。若图形顶部出现编织状的小环，这是因为U 2和B 的相位差等因素引起的畸变，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、观察和比较样品1和样品2的磁化性能。

6、测绘μ—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、1.2…3.0V 时十组H m 和B m 值，作μ—H 曲线。

7、令U=3.0V ，R 1=2.5Ω，测定样品的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。

五、思考题：

1、如何利用测试仪比较样品1和样品2的磁化性能？

2、将U 1接至示波器的X 输入端，将U 2接至示波器的Y 输入端，为什么能用电学量U 来测量H 和B ？

3、用本实验装置，如何测量交流基本磁化曲线？

4、磁滞回线包围面积的大小有何意义？

5、分别说明H m 、B m 、H c 、B r 的物理意义。