大学物理实验报告

                                                  

姓    名:汤博         班    级:F0703028   学    号:5070309028       实验成绩:

同组姓名:    无           实验日期:20##-10-14 指导老师:助教31             批阅日期:

磁性材料基本特性的研究

【实验目的】

1.通过本实验进一步了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线概念,加深对铁磁材料的主要物理量:矫顽磁力,剩磁,磁导率的理解;

2.对软磁铁氧体材料居里温度及动态磁滞回线的测量,加深对这一磁性材料基本特性的理解;

3.通过本实验进一步掌握利用示波器观察并测量磁化曲线与磁滞回线的方法;

4.通过所选定的实验方法,确定并研究实验结果的精度、误差因素及解释有关的实验现象。【实验原理

1.磁化性质
    一切可被磁化的物质叫作磁介质。磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M、磁场强度H来描述,它们满足一定的关系

的不同一般可分为三类,顺磁质、抗磁质、铁磁质。

对非铁磁性的各向同性的磁介质,之间满足线性关系,,而铁磁性介质的 、 与 之间有着复杂的非线性关系。

 1.bmp2.bmp3.bmp

它反映了铁磁质的共同磁化特点:在刚开始时随着的增加,缓慢的增加,此时较小;而后便随的增加急剧增大,也迅速增加;最后随增加,趋向于饱和,而此时的值在到达最大值后又急剧减小。图一表明了磁导率是磁场的函数。曲线表示铁磁材料从没有磁性开始磁化,的增加而增加,称为磁化曲线。从图二中可看到,磁导率还是温度的函数,当温度升高到某个值时,铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态,在曲线上变化率最大的点所对应的温度就是居里温度

2.磁滞性质

铁磁材料另一重要的特性是磁滞现象。当铁磁材料磁化时,磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关,而且与磁化的历史有关,因此形成磁滞回线。其中有两个重要的物理量,剩余磁感应强度和矫顽力。各种铁磁材料有不同的磁滞回线,主要区别在于矫顽力的大小,矫顽力大的称为硬磁材料,矫顽力小的称为软磁材料。

3.用交流电桥测量居里温度

铁磁材料的居里温度可用任何一种交流电桥测量。本实验采用如图所示的RL交流电桥,在电桥中输入电源由信号发生器提供,在实验中应适当选择不同的输出频率ω为信号发生器的角频率。选择合适的电子元件相匹配,在未放入铁氧体时,可直接使电桥平衡,但当其中一个电感放入铁氧体后,电感大小发生了变化,引起电桥不平衡。但随着温度的上升到某一个值时,铁氧体的铁磁性转变为顺磁性,CD两点间的电位差发生突变并趋于零,电桥又趋向于平衡,这个突变的点对应的温度就是居里温度。实验中可通过桥路电压与温度的关系曲线,求其曲线突变处的温度,并分析研究在升温与降温时的速率对实验结果的影响。


4.用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线

4.bmp

本实验研究的是闭合状的铁磁圆环样品,平均周长为,励磁线圈的匝数为,若励磁电流为时,在样品内满足安培环路定律

在示波器横轴的偏转板的输入电压为

这表明横轴输入的大小与磁场强度成正比。

设样品的截面积为,匝数为的次级线圈中根据电磁感应定律,同样可分析得到电容两端的电压与磁感应强度的关系。

上式表明轴输入的大小与磁感应强度成正比。


【实验数据记录、实验结果计算】

1、被测样品饱和磁滞回线的测量

由公式可知  和 ,可得如下表格

Origin 作图如下:

经过计算得到:

实验产生了一定的误差,但在允许范围之内。

2、用电桥法测量居里温度

Origin 作图如下:

从上图可以看出:电压随着温度的升高,一开始变化不大,但一旦达到某个温度后,电压急剧下降,这个温度就是我们要测的居里温度。

经过origin分析,得到的曲线,如图:

从图像上得到居里温度为

【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】

      1、误差分析:

    从上面的实验数据分析中可以看出,我的两个实验结果图与书中的理论图比较相似,但是还是有一定的误差,我将误差归结于一下几点:

 (1) 示波器显示的图像测量时需要人眼的校准,会产生一定的误差

(2) 电路中的各种仪器都并非理想的,都会产生一定的内阻,这会影响实验结果

(3) 温度计变化较慢,可能得到的温度并不精确

(4) 电压表示数有时不是很稳定,难以记录

2、在第一个实验中,使用滑动变阻器代替原有电阻,改变R2电阻时可以看到UC的值随之变化,因此示波器的图像也跟着略有改变。


【注意事项】

1.       为了定量研究铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线,测量前必须对示波器进行定标。

2.       测量过程中,比保持示波器的灵敏度不变

3.   描绘磁滞回线时,应对曲率较大处多取点,以使得图像保留的信息较为完整;

4.        测量居里温度时,当发现电压下降速度激增时应快速细致地记录,尽量多采集数据点以保证实验的准确性。

【相关资料】

1、居里温度

居里发现了著名的居里定律,即须磁体的磁化率与热力学温度成反比。某些磁性材料在某一温度以下时磁性发生急剧变化,这一特定的温度被命名为居里点。

热运动对于由交换作用引起的原子或离子磁矩的平行排列总是起破坏作用的,特别是温度较高时,在强烈的热运动能量与原子或离子磁矩之间的交换作用能量可相比拟的情况下,铁磁质的磁性将会发生明显的变化。具体地说,当温度超过某一临界温度时,交换作用不足以克服热运动的作用,铁磁质的自发磁化强度将消失。这个临界温度称为铁磁质的居里温度或居里点。如铁的居里温度是770℃, 铁硅合金的居里温度是690℃等。当铁磁质处于居里温度以上时,铁磁性转变为顺磁性。

2、磁滞回线和居里温度的意义及一些应用

磁滞回线和居里温度是表征磁性材料的两个基本特性。磁滞回线反映磁性材料在外磁场中的磁化特性,而居里温度则是磁性材料由铁磁性转变为顺磁性的相变温度。

磁性材料在电力、通讯、电子仪器、汽车、计算机和信息存储领域有着广泛的应用。

最后感谢助教老师在实验中对我的帮助。

 

第二篇:大学物理实验报告-磁滞回线研究

磁滞回线研究

班级 姓名 学号

一、实验目的:a. 研究磁性材料的动态磁滞回线;

a)b.了解采用示波器测动态磁滞回线的原理;

b)c. 利用作图法测定磁性材料的饱和磁感应强度B,磁场强度H

二、实验仪器:普通型磁滞回线实验仪DH 4516。

实验原理:当材料磁化时,磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关,而且决定于磁化的历史情况,如图2.3.2-1所示。曲线OA表示铁磁材料从没有磁性开始磁化,磁感应强度B随H的增加而增加,称为磁化曲线。当H增加到某一值HS时,B几乎不再增加,说明磁化已达到饱和。材料磁化后,如使H减小,B将不沿原路返回,而是沿另一条曲线ACA下降。当H从-HS增加时,B将沿A’C’A曲线到达A,形成一闭合曲线称为磁滞回线,其中H=0时,,Br称为剩余磁感应强度。要使磁感应强度B为零,就必须加一反向磁场-Hc, Hc称为矫顽力。为了使样品的磁特性能重复出现,也就是指所测得的基本磁化曲线都是由原始状态(H=0,B=0)开始,在测量前必须进行退磁,以消除样品中的剩余磁性。

1 .示波器测量磁滞回线的原理

图2.3.2-2所示为示波器测动态磁滞回线的原理电路。将样品制成闭合的环形,然后均匀地绕以磁化线圈N1及副线圈N2,即所谓的罗兰环。交流电压u加在磁化线圈上,R1为取样电阻,其两端的电压u1加到示波器的x轴输入端上。副线圈N2与电阻R2和电容串联成一回路。电容C两端的电压u加到示波器的y输入端上。

(1)ux(x轴输入)与磁场强度H成正比,若样品的品均周长为,磁化线圈的匝数为N1,磁化电流为i1(瞬时值),根据安培环路定理,有H=N1 i1,而,所以

(1)

由于式中R1、和N1皆为常数,因此,该式清楚地表明示波器荧光屏上电子束水平偏转的大小(u1)与样品中的磁场强度(H)成正比。

(2)uC(y轴输入)在一定条件下与磁感应强度B成正比

设样品的截面积为S,根据电磁感应定律,在匝数为N2的副线圈中,感应电动势应为

(2)

此外,在副线圈回路中的电流为i2且电容C上的电量为q时,又有

(3)

考虑到副线圈匝数N2较小,因而自感电动势未加以考虑,同时,R2与C都做成足够大,使电容C上的电压降(uc=q/C)比起电阻上的电压降R2i2小到可以忽略不计。于是式(3)可以近似的改写为

(4)

将关系式代入式(4),得

(5)

将上式与式(2)比较,不考虑其负号(在交流电中负号相当于相位差±π)时,应有

将两式两边对时间积分,由于B和uc都是交变的,故积分常数为0。整理后得

(6)

由于N2、S、R2和C皆为常数,因此该式表明了示波器的荧光屏上竖直方向偏转的大小(uc)与此干起那股(B)成正比。

由此可见,在磁化电流变化的一周期内,示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线,并在以后每个周期都重复此过程,这样在示波器的荧光屏上将看到一稳定的磁滞回线图线。

(3)测量标定

本实验不仅要求能用示波器显示出待测材料的动态磁滞回线,而且要能使用示波器定量

观察和分析磁滞回线。因此,在实验中还需确定示波器荧光屏上x轴(即H轴)的每一小格实际代表多少磁场强度,y轴(即B轴)的每一小格实际代表多少磁感应强度,这就是测量标定问题。

1)x轴(H轴)标定

x轴标定操作的目的是标定H。具体而言就是确定示波器荧光屏x轴(即H轴)的每一小格实际代表多少磁场强度。由式(1)可见,若设法测出光点沿x轴偏转的大小与电压u1的关系,就可确定H。具体标定H的线路图如图2.3.2-4所示。其中交流电表A用于测量ν0(请注意A的指示是i0的有效值I0)。调解I0使荧光屏上水平线长度为Mx格,它对应于u1且为峰峰值,即,因此,每一小格所代表的u1的值为。这样由式(1)就可知荧光屏每一小格所代表的磁场强度H是

(7)

值得注意的是,标定线路中应将被测样品去掉,而代之以一纯电阻R0。这主要是因为被测样品室铁磁材料,它的B和H的关系是非线性的,从而使电路中的电流产生非正弦形畸变。R0起限流作用,标定操作中应使I0不超过R0允许的电流。

2)y轴(B轴)标定

y轴标定操作的目的是标定B,具体而言就是确定y轴(B轴)的每一小格实际代表多少磁感应强度。具体标定B的线路如图2.3.2-5所示。图中M是一个标准互感器。

流经互感器原边的瞬时电流为i0,则互感器副边中的感应电动势E0为

类似于式(5),又有

对上式两边积分,可得

(8)

由于A测出的是i0的有效值I0,所以对应于uc的有效值UC,有

而相应的峰峰值为

若此时对应uc峰峰值的垂直线总长主度为My,则根据(6)可得,y轴每一小格所代表的磁感应强度为

(9)

应注意实验中,不要使I0超过互感器所允许的额定电流值。

四、实验步骤:1.仪器的调节

按图2.3.2-3所示线路接线,调节示波器,使光点调至荧光屏正中心。调节调压变压器,从零开始逐步增大磁化电流,使磁滞回线上的B值能达到饱和。示波器的x、y轴衰减置“1”挡,可适当调整x、y的增幅,使荧光屏上得到大小适中的磁滞回线。记住此时磁化电流I的大小。

2.量动态磁滞回线

(1).样品退磁,把调压器的输出电压从最大值缓慢调至零,样品即被退磁。

(2).将电流调至I,以每小格为单位测若干组B、H的坐标值。记住回线顶点(A)、剩磁(Br)、矫顽力(Hc)三个点的读数(注意此后,示波器的x轴增幅,y轴增幅绝对不要改变,以便进行H、B标定)。

(3).标定H和B,分别按图2.3.2-4、图2.3.2-5接线。

(4).测磁化曲线,即测量大小不同的各个磁滞回线的顶点的连接。

(5).改变磁化电流的频率,观察磁滞回线的变化规律。

五、注意事项:

1.不要使I0超过互感器所允许的额定电流值。

2. 在测量前必须进行退磁,以消除样品中的剩余磁性。

六、总结分析:

1. x轴标定操作的目的是标定H。每一小格所代表的磁场强度是

2. y轴标定操作的目的是标定B,y轴每一小格所代表的磁感应强度为

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