南昌大学铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

南昌大学物理实验报告 课程名称： 大学物理实验 实验名称： 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 学院： 专业班级： 学生姓名： 学号： 实验地点： 座位号： 实验时间： 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H曲线。3. 测定样品的HD、Br、BS和（HmBm）等参数。4. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。2、 实验原理： 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。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率很高。另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即BHO，当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。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“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS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，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当HO时，B不为零，而保留剩磁Br。当磁场反向从O逐渐变至HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。图1还表明，当磁场按HSOHD-HSOHDHS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），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。图2 同一铁磁材料的 一簇磁滞回线图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线图 3 铁磁材料与H并系曲线 应该说明，当初始态为HBO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，由此可近似确定其磁导率，因B与H非线性，故铁磁材料的不是常数而是随H而变化（如图3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。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、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。 图5 实验线路图 4 不同铁磁材料的磁滞回线 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。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。R1为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为i，根据安培环路定律，样品的磁化场强 L为样品的平均磁路 （1）(1)式中的N1、L、均为已知常数，所以由可确定H。 在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和电路给定的，根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为 (2)S为样品的截面积。如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为式中为感生电流，UB为积分电容C两端电压,设在t时间内，i2向电容的充电电量为Q，则 如果选取足够大的R2和C，使i2R2Q/C，则 (3)由（2）、（3）两式可得 （4）上式中C、R2、n和S均为已知常数。所以由UB可确定B0 综上所述，将图5中的UH和UB分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的BH曲线；如将UH和UB加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗WBH以及磁导率等参数。三、实验内容和步骤：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R12.5，“U选择”置于O位。UH和UB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BH0，如图6所示。图6 退磁示意图 图7 UB和B的相位差等因素引起的畸变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U2.2V，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，如图7所示，这时可降低励磁电压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U0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、比较样品1和样品2的磁化性能。6. 测绘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U0.5，1.03.0V时的十组Hm和Bm值，作H曲线。7. 令U3.0V，R12.5测定样品1的BS,Rr,HD,WBH,等参数。8. 取步骤7中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制BH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、实验数据与处理：电容C1(F)：20 电阻R1()：2.5 电阻R2(k)：10 截面S(mm2)： 80励磁绕组N1(匝)：150 测量绕组N2(匝)：150 平均磁路L(mm)：60 表一 基本磁化曲线与H曲线U（V）H104安/米B102特斯拉B/H享利/米0.50.0053333330.0006666670.001251.00.010.0010833330.0010833331.20.0120.0014166670.0011805561.50.0186666670.001750.00093751.80.0240.0020.0008333332.00.0293333330.002250.0007670452.20.0333333330.00250.000752.50.0433333330.0026666670.0006153852.80.050.0028333330.0005666673.00.0566666670.0030.000529412 表二.磁滞回线 U=1.2V R1=2.5欧姆 HD=43.33 Br=0.083 Bm=0.11 NOH104A/mB102TNOH104A/mB102T1-120-0.1333333339-33.333333330.03333333321200.13333333310-33.33333333-0.1300.0833333331133.333333330.140-0.0666666671233.33333333-0.0166666675-46.6666666701366.666666670.083333333643.3333333301466.666666670.1166666677-66.66666667-0.06666666715-400.0166666678-66.66666667-0.116600.066666667五、误差分析：1.磁滞回线的测量需要线性霍尔元件。2.环形磁铁应该是环形软磁材料上边绕制绕组，并且是用电容放电的形式形成电流的上升曲线，达到顶峰随即切除电容，即可在示波器上观察到磁滞回线的景象。但是可以需要制作若干个这样的试验才可以得到满意的效果，有时因为时间常数不对观察不到。六、附上原始数据：