铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

【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_D、B_r、B_S和（H_m·B_m）等参数。

    4. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

【实验仪器】

DH4516型磁滞回线实验仪，数字万用表，示波器。

【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μ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B＝H＝O，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H_S时，B到达饱和值B_S，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从H_S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H＝O时，B不为零，而保留剩磁Br。

当磁场反向从O逐渐变至－H_D时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，H_D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H_S→O→H_D→-H_S→O→H_D´→H_S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。    应该说明，当初始态为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，由此可近似确定其磁导率，因B与H非线性，故铁磁材料的μ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。

    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φ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，U_B为积分电容C两端电压,设在Δt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i₂R₂>>Q/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U_B可确定B₀

  综上所述，将图5中的U_H和U_B分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B－H曲线；如将U_H和U_B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_S、剩磁R_r、矫顽力H_D、磁滞损耗〔WBH〕以及磁导率µ等参数。

【实验内容与步骤】

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R₁＝2.5Ω，“U选择”置于O位。U_H和U_B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B＝H＝0，如图6所示。

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，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、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…3.0V时的十组H_m和B_m值，作μ～H曲线。

7. 令U＝3.0V，R₁＝2.5Ω测定样品1的B_S,R_r,H_D,W_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。

【数据记录及处理】

电容C(μF)：20      电阻R₁(Ω)_：2.5      电阻R₂(kΩ)：10        截面S(mm²)： 120

励磁绕组N₁(砸)：150        测量绕组N₂(砸)：150          平均磁路L(mm)：75

表一    基本磁化曲线与µ－H曲线

       

表二.磁滞回线        H_D=        B_r=        B_S=      W_BH=

 

第二篇：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验题目：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验目的：认识铁磁物质的磁化规律；测定样品的基本磁化规律，作μ-H曲线；计算样品的H_c、B_r、B_m和（H_m，B_m）等参数；测绘样品的磁滞回线，估算其磁带损耗。

实验原理：铁磁物质在外磁场作用下被强烈磁化，故磁导率μ很大；在磁化场作用停止后，铁磁质可以保留磁化状态。

          以B为纵轴，H为横轴作图，原点表示磁化之前物质处于磁中性状态，B=H=0，当H开始增加时，B随之增加。如右上图中a，称为起始磁化曲线。当H从H_m减小时，B沿滞后于H的曲线SR减小，这就是磁滞现象。当H=0时，B=B_r称为保留剩磁。当B=0时，H=-H_c，H_c称为矫顽力。

          当磁场沿H_m→0→-H_c→-H_m→0→H_c→H_m次序变化时，相应的B沿一条闭合曲线变化（右上图），这个曲线就是磁滞回线。若铁磁材料在交变电场中不断反复被磁           图一：磁滞回线

          化、去磁化，那么材料在这个过程中要消耗额外的能量，称为磁滞损耗，其值与磁滞回线面积成正比。

          磁滞回线的顶点的连线称为基本磁化曲线（右下图）。

                                                                   图二：基本磁化曲线

实验内容：

1、将仪器的连线连接好，开启仪器；

2、退磁后，将额定电压调至3.0V，测量铁磁质的磁滞回线；

3、将电压从0.5V逐渐调至3.0V，依次得到B_m、H_m，从而得到铁磁质的基本磁化曲线。

实验数据：

磁滞回线：

表一：磁滞回线数据

基本磁化曲线：

表二：基本磁化曲线数据

数据处理：

磁滞回线

根据数据作图得：

图三：实验测量所得磁滞回线

从图中大致得到：B_m=0.604T；H_m=194.0A/m；B_r=0.183T；H_c=37.3A/m。

基本磁化曲线

根据数据作图得：

图四：实验所得基本磁化曲线

实验小结：

1、  本实验原理相对比较简单，操作上也没有什么难点，但是应该注意每次进行完一次测量，应当进行退磁处理，否则测量结果将不准确；

2、  实验中发现若使用电压越高，那么进行一次退磁后的剩磁会越多，这和电压高所带来的更大的磁滞现象有关；

3、  实验最终所得结果比较理想，磁滞曲线和基本磁化曲线与标准图样相比基本相同。