铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁物质。在 20 世纪初期，铁磁材料主要用在电机制 造业和通讯器件中，如发电机、变压器和电表磁头，而自20 世纪50年代以来，随着电子计算 机和信息科学的发展，应用铁磁材料进行信息的存储和纪录，例如现以成为家喻户晓的磁带、 磁盘，不仅可存储数字信息，也可以存储随时间变化的信息；不仅可用作计算机的存储器，而 且可用于录音和录像，已发展成为引人注目的系列新技术，预计新的应用还将不断得到发展。 因此，对铁磁材料性能的研究，无论在理论上或实用上都有很重要的意义。磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主要特征。本实验仪用交流电对铁磁材 料样品进行磁化，测绘的 B-H 曲线称为动态磁滞回线。测量铁磁材料动态磁滞回线的方法很多， 用示波器测绘动态磁滞回线具有直观、方便、迅速及能在不同磁化状态下（交变磁化及脉冲磁 化等）进行观察和测绘的独特优点。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掌握铁磁材料磁滞回线的概念。3掌握测绘动态磁滞回线的原理和方法。4.测定样品的基本磁化曲线，作u-H曲线。5测定样品的HC、Br、Hm和Bm等参数。6测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。二、实验原理1铁磁材料的磁滞特性 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。其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率u=B/H很高。 另一特征是磁滞，铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间关系 的特性。即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁 场强度H之间的关系曲线。将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化，图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处 于磁中性状态，即B=H=0,当磁场强度H从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上 升，如曲线oa所示，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H 增至HS时，B达到饱和值BS，这个过程的oabS曲线称为起始磁化曲线。如果在达到饱和状态 之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B的值也要减小。图1表明，当磁场从HS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，对 应的B值比原先的值大，说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。比较线段0S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，这种现象称为磁滞。磁滞的明显特征是当 H=0时，磁感应强度B值并不等于0而是保留一定大小的剩磁Bro图 1 铁磁物质 B 与 H 的关系曲线图 2 铁磁材料的基本磁化曲线当磁场反向从O逐渐变至一HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，可以施加反向 磁场。当反向磁场强度等于某一定值Hd时，磁感应强度B值才等于0，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，曲线 RD 称为退磁曲线。如再增加反向磁场的磁场强 H,铁磁材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态，逐渐减小反向磁场的磁场强度至0时，B 值减小为Br。这时再施加正向磁场，B值逐渐减小至0后又逐渐增大至饱和状态。图1还表明，当磁场按HsfOfHcf-HsfOfHDfHs次序变化，相应的磁感应强度B则 沿闭合曲线SRDS，RDS变化,可以看出磁感应强度B值的变化总是滞后于磁场强度H的变化， 这条闭合曲线称为磁滞回线。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 线反复被磁化一去磁一反向磁化一反向去磁。磁滞是铁磁材料的重要特性之一，研究铁磁材料 的磁性就必须知道它的磁滞回线。各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线，主要是磁滞回线的宽、 窄不同和矫顽力大小不同。当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热，要消耗额外的能量，因为反复磁化时 磁体内分子的状态不断改变，所以分子振动加剧，温度升高。使分子振动加剧的能量是产生磁 场的交流电源供给的，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种在反复磁化过程中能量的损耗称 为磁滞损耗，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。应该说明，当初始状态为H=B=O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。基本磁化曲线上点与原点连线的斜率称为磁导率，由此可近似确定铁磁材料的磁导 率 戶B，它表征在给定磁场强度条件下单位H所激励出的磁感应强度B，直接表示材料磁化H性能强弱。从磁化曲线上可以看出，因B与H非线性，铁磁材料的磁导率卩不是常数，而是随 H 而变化，如图 3 所示。当铁磁材料处于磁饱和状态时，磁导率减小较快。曲线起始点对应的 磁导率称为初始磁导率，磁导率的最大值称为最大磁导率，这两者反映卩-H曲线的特点。另外 铁磁材料的相对磁导率m0=b/b0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、矫顽力小（vlO2A/m）、剩磁和磁滞损耗均较小，磁滞 特性不显著，可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性，这种材料容易磁化，也容易 退磁，是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。而硬磁材料 的磁滞回线较宽，矫顽力大（102A/m），剩磁强，磁滞回线所包围的面积肥大，磁滞特性显 著，因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁，并且这种剩磁不易消除，可用来制造永磁体。2测绘磁滞回线原理磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分。2.1 实验仪配合PC机，即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线。 它由励磁电源、铁磁材料样品、电路板以及实验接线图等部分组成。励磁电源由 220V， 50Hz 的市电经变压器隔离、降压后供试样磁化。电源输出电压共分11档，即卩0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V，各档电压通过安置在电路板上 的波段开关实现切换。铁磁材料样品1和样品2为尺寸（平均磁路长度L和截面积S）相同而磁性不同的两只EI型铁芯，两者的励磁绕组匝数N和磁感应强度B的测量绕组匝数n亦相同。N=50, n=150, L=60mm, S = 80mm2。电路板上装有电源开关、样品1和样品2、励磁电源“U选择”和测量励磁电流（即磁场 强度H）的取样电阻“比选择”、以及为测量磁感应强度B所设定的积分电路元件R2、C2等。以上各元器件（除电源开关）均已通过电路板与其对应的锁紧插孔连接，只需采用专用导 线，便可实现电路连接。此外，设有电压UB （正比于磁感应强度B的信号电压）和UH （正比于磁场强度H的信号 电压）的输出插孔，用以连接示波器，观察磁滞回线波形和连接测试仪作定量测试用。2.2 测试仪图 6 所示为智能磁滞回线测试仪原理框图，测试仪与实验仪配合使用，能定量、快速测定 铁磁性材料在反复磁化过程中的 H 和 B 之值，并能给出其剩磁、矫顽力、磁滞损耗等多种参数。图 6 智能磁滞回线测试仪原理框图智能磁滞回线测试仪面板如图3 所示，下面对测试仪使用说明作介绍 1） 参数L待测样品平均磁路长度L=60mm。S待测样品横截面积S = 80mm2。N 待测样品励磁绕组匝数N=50。n 待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数n=150oRi励磁电流iH取样电阻，阻值0.55Q。R2 积分电阻，阻值 10K。C2积分电容，容量20卩F。U 正比于H的有效值电压，供调试用。电压范围（0IV）。UBC正比于B的有效值电压，供调试用。电压范围（0IV）。智能磁滞回线测试仪面板图图32）瞬时值H与B的计算公式：H NULR3）测量准备先在示波器上将磁滞回线显示出来，然后开启测试仪电源，再连接测试仪和实验仪之间的B=UBR2C2nS信号连线。4）测试仪按键功能1）功能键：用于选取不同的功能，每按一次键，将在数码显示器上显示出相应的功能。2）确认键：当选定某一功能后，按一下此键，即可进入此功能的执行程序。（ 3 ）数位键：在选定某一位数码管为数据输入位后，连续按动此键，使小数点右移至所选 定的数据输入位处，此时小数点呈闪动状。（4）数据键：连续按动此键，可在有小数点闪动的数码管输入相应的数字。（5）复位键（RESET）：开机后，显示器将依次巡回显示P.8.P.8的信号，表明测试 系统已准备就绪。在测试过程中由于外来的干扰出现死机现象时，应按此键，使仪器进入或恢 复正常工作。5）测试仪操作步骤（1）所测样品的N与L值按RESET键后，当LED显示P.8.P.8时，按功能键，显示器将显示:HN.0050BL.060.0千匝 百匝 十匝 个匝 百毫米 十毫米 个毫米 分毫米这里显示的N=50匝丄=60mm为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录I）。（2）所测样品的n与S值按功能键，将显示：Hn.0150BS.080.0千匝百匝十匝个匝百毫米2 十毫米2 个毫米2 分毫米2这里显示的n=150匝、S = 80mm2为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录I）。（3）电阻比值和H与B值的倍数代号按功能键，将显示：1.2.H.B.1Q 0.1 Q 0.01 QH与B值的倍数代号这里显示的R = 2.5Q、H与B值的倍数代号3为仪器事先的设定值（如要改写上述参数, 可参阅附录I）注：H与B值的倍数是指其显示值需乘上的倍数H 值倍数B 值倍数倍数代号倍数及单位f 1X 10安咪2X102安/米3X 103 安/米4X 104 安/米 5X 105 安/米倍数代号倍数及单位1X 10-1 特斯拉2X 1 特斯拉 3X 10 特斯拉4X 102 特斯拉J 5X 103 特斯拉（4）电阻R2、电容C2值按功能键，将显示：2.0.2.0.lOyFlgF O.lyF如要改写上述参数，可参阅附10K 1K这里显示的R2=10KQ、录I）。注：N、L、n、S、乩、R2、C2、H与B值的倍数代号等参数可根据不同要求进行改写，并掉电后数据仍可保存。0.1KC2=20卩F为仪器事先的设定值122可通过SEEP操作存入串行EEROM中,（ 5）定标参数显示（仅作调试用）按功能键，将显示：按确认键，将显示uhc和UBC电压值。注： 1无输入信号时，禁止操作此功能键。2显示值不能大于 1.0000，否则必须减小输入信号6）显示每周期采样的总点数和测试信号的频率。按功能键，将显示：Hn.B按确认键，将显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。7）数据采样B按确认键后，仪器将按步序（6）所确定的点数对磁滞回线进行自动采样，显示器显示为:H | -b 若测试系统正常，稍等片刻后，显示器将显示“GOOD”，表明采样成功，即可进入下一步 程序操作。如果显示器显示“BAD”表明系统有误，查明原因并修复后，按“功能”键，程序将返回 到数据采样状态，重新进行数据采样。（8）显示磁滞回线采样点H与B的值连续按两次功能键，将显示：HH.SHOW.BB.SHOW.每按二次确认键，将显示曲线上一点的H与B的值（第一次显示采样点的序号，第二次 显示出该点H和B之值），采样总点数参照步序（6），H与B值的倍数参照步序（3）。显示点的顺序，是依磁滞回线的第4、1、2和3象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样信号出 错。 若在进行第（7）步序中只按功能键而未按确认键（表明未完成数据采样就进入第（8）步 序，此时将显示：“NO DATA”，表明系统或操作有误）。（9）显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br 按功能键，将显示：H按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出HC与Br之值。 10）显示样品的磁滞损耗 按功能键，将显示：H按确认键，将按步序（3）所确定的单位显示样品磁滞回线面积。磁滞损耗的计算公式：W=Js Hdb单位为HXBX103焦耳咪3 （单位参照步序（3）Hm.（11）显示H与B的最大值Hm与BmH按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出Hm与Bm之值。 （12）显示H与B的相位差按功能键，将显示：H按确认键，如显示为5.H.B.上例显示表示，H与B的相位差是25.5 13）与 PC 联机测试操作按功能键，将显示：，在相位上UH超前UBoP.C.H按确认键，进入联机状态（参阅附录II） （14） UHC电压校准操作（调试时用） 按功能键，将显示：H.H（15） UBC电压校准操作（调试时用）HB.16） SEEP 操作（数据存入 EEPROM93C46）按功能键，将显示：H方法：在H显示器的最高两位上写入存入码“96”；按确认键，片刻后，回显“85”，说明数据已存入EEPROM中。17 ）程序结束按功能键，将显示：H三、实验内容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 = 2.5Q,“U选择”置 于O位。UH和UB （即U1和U2）分别接“X输入”和“Y输入”，插孔丄为公共端；图6退磁示意图图7 U2和B的相位差等因素引起的畸变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3V,然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为O,其目的是消除剩磁，确 保样品处于磁中性状态，即B=H = 0,如图6所示；3. 测绘U-H曲线：连接实验仪和测试仪之间的信号连线。开启电源，对样品1、2进行 退磁后，依次测定U=0.5, 1.0-3.0V时的十组Hm和Bm值，作出基本磁化曲线及UH曲线。4观察磁滞回线：开启 PC 机电源，进入联机操作状态，用配带的串行通讯线将测试仪后 面板上的RS-232串行输出口与PC机的一个串行口相连接，打开测试仪，首先用测试仪上的按 键确认N、L、n、S四个参数，然后按“功能”键将功能调至PC SHOW”功能，按“确认” 键进入PC机联操作状态，数码显示器上显示“PC.F”。（若图形顶部出现编织状的小环， 如图7所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。在PC机中运行PCCOM.EXE程序，计算机就 可以读取测试仪采集的数据信号，将实验数据保存在硬盘里，并可以在计算机显示屏上显示磁 滞回线和其他曲线；5. 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；比 较样品 1 和样品 2的磁化性能；6. 令 U=3.0V, R = 2.5Q 测定样品 1 的 HC、Br、Hm、Bm 和BH等参数。7. 取步骤6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。四、实验数据记录表一 基本磁化曲线与卩-H曲线U(V)HX104A/mBX102T卩=B/H(H/m)U(V)HX104A/mBX102T卩=B/H(H/m)0.52.01.02.21.22.51.52.81.83.0表二 BH 曲线 Hc=Br=Hm=Bm=田珂=NO.H(A/M)B(T)NO.H(A/M)B(T)NO.H(A/M)B(T)134672356833669437705387163972740738417494275104376114477124578134679144780154881164982175083185184195285205386215487225588235689245790255891265992276093286194296295306396316497326598336699五、注意事项：1测试仪面板中的电路已连接好，实验开始时，可以按照电路图进行核对，但是连线且勿乱动！电路的同名端连接要正确，不能交叉；信号端在操作时，一定要接上，否则容易死机； 接线时要关电，否则会损伤电路。2. 如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、R、R2、C2、H与B的倍数代号等参数，则不 必按确认键；如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。3. 按常规操作至步序（12）（显示H与B的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失， 必须重新进行数据采样。4. 测试过程中如显示器显示“COU”字符，表示应继续按动功能键。5. 测试仪上的数位键，数据键用来样品参数设定，实验前已确定好，请勿乱动。六、思考题1为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，如何消除？2在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时，为什么要先退磁？如何退磁？3. 观察样品1 和样品2的磁滞回线的不同，说明哪个样品为软磁材料，哪个样品为硬磁材 料？如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料？4. 铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程？用磁滞回线来解释。附录：1参数说明：L 待测样品平均磁路长度L=60mm。待测样品横截面积S=80 mm 2待测样品励磁绕组匝数N1=50待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数N2=150 励磁电流I1取样电阻，阻值0.55 Q 积分电阻阻值10KQ。C2积分电容容量20uFo样品1和样品2为尺寸（平均磁路长度L和截面积S）相同而磁性不同的两只EI型铁芯, 两者的励磁绕组匝数N和磁感应强度B的测量绕组匝数N2亦相同。2数位键和数据键操作若改写样品的某项参数，如将N=50匝，L=60mm改写N=100匝，L=80mm,可按如 下步骤进行。按功能键，显示器将显示N. 0050H千匝 百匝 十匝 个匝1.将N由50匝改写为100匝L. 060.0B百毫米 十毫米 个毫米 分毫米按动数位键，使位于B窗口数据框内“个毫米”处的小数点右移至“分毫米”处；再按动 数位键，使小数点渐次移入H窗口“百匝”（即数据输入位）处。N 00.50按动数据键，将小数点位处数码管数字“0”改写为“I”H N 01.50再按动数位键，使小数点右移一位至“十匝”处（数据输入位）。N015.0H按动数据键，将小数点位处数码管数字“5”改写为“0”H再按动数位键N0 10.0使小数点右移一位至“个匝”处。N 0100.至此，样品匝数已由50改写为100。2将 L 由 60mm 改写为 80mm操作方法同上连续按动数位键，使小数点由H窗口的“个匝”处右移至B窗口 “十毫米处”（数据输入位）。L06.00B按动数据键，将小数点位处的数码管数字“6”改写为“8”L08.00B再按动数位键，使小数点右移一位至“个毫米”处。L080.0B至此，样品平均磁路长度L已由60改写为80。3.按确认键，当显示器显示“1”，表明修改后的N、L值已输入。4若要将改写后的数据存入EEPROM中，请参阅操作步序（16）。思考题答案：1为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，如何消除？答：有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，是U2和B的相位差等因素引起的畸变，这 时可降低励磁电压U予以消除。2在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时，为什么要先退磁？如何退磁？答：由于铁磁材料磁化过程的不可逆性即具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时， 首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H=0时B=0。退磁的方法，从理论上分析， 要消除剩余磁感应强度B，只需要通以反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可， 但实际上矫顽力的大小通常并不知道，则无法确定退磁电流的大小。常采用的退磁方法是首先 给要退磁的材料加上一个大于（至少等于）原磁化场的交变磁场（本实验中顺时针方向转动“U 选择”旋钮，令U从0依次增至3V）,铁磁材料的磁化过程是一簇逐渐扩大的磁滞回线。然后 逐渐减小外加磁场，（本实验中逆时针方向转动旋钮，将U从最大值依次降为0），则会出现一 簇逐渐减小而最终趋向原点的磁滞回线。当外加磁场H减小到零时，铁磁材料的磁感应强度B 亦同时降为零，即达到完全退磁。3. 观察样品1和样品2的磁滞回线的不同，说明哪个样品为软磁材料，哪个样品为硬磁材 料？如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料？答：软磁材料的特点是：磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗小，磁滞回线呈长条状；硬磁材 料的特点是：剩磁大，矫顽力也大，磁滞特性显著，磁滞回线包围的面积宽大。4. 铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程？用磁滞回线来解释。答：铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。铁磁材料在外加磁场中被磁化时，外加磁场强度 H与铁磁材料的磁感应强度B的大小是非线性关系。当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B 随之以曲线上升，当H增加到H时，B几乎不再增加，达到饱和值B，从O到达饱和状态这 mm段B-H曲线，称为起始磁化曲线。当外加磁场强度H从H减小时，铁磁材料的磁感应强度B m也随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线下降。当H下降为零时，B不为零，仍保留 一定的剩磁Br，使磁场反向增加到-Hc时，磁感应强度B下降为零。继续增加反向磁场到-Hm， 后逐渐减小反向磁场直至为零，再加上正向磁场直至H，则得到一条闭合曲线，称为磁滞回线。 m从铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线可以看到，外加磁场强度H从H减小到零时的退磁曲 m线与磁场H从零开始增加到H时的起始磁化曲线不重合，说明退磁过程不能重复起始磁化过 m程的每一状态，所以铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。