用示波器观察铁磁材料动态磁滞回线

【摘要】铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性。软磁材料的矫顽力H_c小于100A/m，常用做电机、电力变压器的铁芯和电子仪器中各种频率小型变压器的铁芯。磁滞回线是反映铁磁材料磁性的重要特征曲线。矫顽力和饱和磁感应强度B_s、剩磁B_r P等参数均可以从磁滞回线上获得.这些参数是铁磁材料研制、生产、应用是的重要依据。

【关键词】磁滞回线  示波器  电容 电阻 Bm Hm Br H

【引言】铁磁物质的磁滞回线能够反映该物质的很多重要性质。本实验主要运用示波器的X输入端和Y输入端在屏幕上显示的图形以及相关数据，来分析形象磁滞回线的一些因素,并根据数据的处理得出动态磁滞回线的大致图线。

【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H_D、B_r、B_S和（H_m·B_m）等参数。

    3. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

【实验仪器】

电阻箱(两个),电容(3-5微法)，数字万用表，示波器，交流电源，互感器。

【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】

一 根据线圈阻值估计线圈匝数

1  按照图示连接电路;

2  移动滑动变阻器,使电流表和电压表的示数超过2/3表盘,然后记录电压表电流表的示数.

3  分别测左线圈和右线圈的阻值;

4  测量线圈直径,计算线圈的横截面积.                  

二  不同电压下磁滞回线数据的测量

1. 电路连接：按电路图连接线路，并令R₁＝2.5Ω。U_H和U_B分别接示波器的“X输入”和“Y输入”。

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10V，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，如图6所示。

3. 观察磁滞回线：开启示波器电源，调至X-Y方式，且X输入端和Y输入端都为“DC”。令光点位于坐标网格中心，令U＝6.0V，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. 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=11.0V，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】

一 根据线圈阻值估计线圈匝数。

已知0.5mm直径的漆包线每米长度对应1.678欧姆。

二 不同电压下磁滞回线数据的测量

励磁绕组N₁(砸)：180       测量绕组N₂(砸)：65         平均磁路L(mm)：50

电容C(μF)：4.3      电阻R₁(Ω)_：2.5      电阻R₂(kΩ)：60      截面S(mm²)： 200

利用上表，根据hm与bm等数据求出Hmi与Bmi，如下：

Hmi=N1hmi/LR1    Bmi=R2C2bmi/N2S

其中:N1=180 , N2=65 , L=50mm

当路端电压为11.0V时,磁滞回线包围的面积不再增大,达到饱和磁滞回线.如下图，此时：

【误差分析及改进】

实验中误差的来源主要是一：线圈本身有内阻，使得数据处理过程中对R1的处理偏小，使最终计算出的Hm偏大；二 对线圈匝数和线圈横截面积的估算，由于实验仪器参数的缺失，利用估算出的数据进行数据处理会有一定的偏差。

改进方法：可以利用低电阻测量阻值的方法，利用开尔文电桥法通直流电源然后测量线圈的确切阻值，从而利用线圈估算线圈匝数的时候也可以精确一些。

【实验过程中现象的讨论及应注意的问题】

在实验过程中注意到：1随着电源频率的增加，磁滞回线逐渐变化，最终当电源频率超过1kz时，磁滞回线会变成椭圆，这表明铁磁介质的磁化特性随着磁化信号频率的变化而变化。2随着R2的增大，磁滞回线的面积也随之增大，这是因为Bmi=R2C2bmi/N2S，Bm与R2成正比；3随着R1的增大，磁滞回线额大面积反而减小，这是因为Hmi=N1hmi/LR1，Hm与R1成反比。

实验时应注意的问题：1在调节SS-7802A示波器的过程中注意选择X-Y档，X输入和Y输入均选用DC档；2注意R1的阻值要选择小一点的2-3欧姆，R2的阻值要选择的大一些，60000欧姆以上，电容的值要选择在5-10微法左右。

 

第二篇：磁性材料试验报告

实 验 报 告

姓    名：王航     班    级：F0703028    学    号：5070309025  实验成绩：

同组姓名：无       实验日期：2008.11.15  指导教师：助教13      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，和之间满足线性关系，，而铁磁性介质的 、 与 之间有着复杂的非线性关系。一般情况下，铁磁质内部存在自发的磁化强度，当温度越低自发磁化强度越大。如图一所示。

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，随的增加而增加，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

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。

数据处理

原始数据：

用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线

按照图4连接电路图，将两个信号输入示波器，然后调节示波器的相关属性，在示波器上得到铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。然后利用示波器的相关性质读出数据，得到结果如下：

其中

                             且 , B

将数据处理后在Origin中作图如下所示：

看这个图像，还算比较理想，说明我的实验基本正确。

经过读图得到：

从数据可以看出，实验有一定的误差，但是误差较小，在允许的范围之内。

用交流电桥测量居里温度

按照电路连接平衡点桥，在放入氧化铁之前，测量电桥基本平衡；之后放入氧化铁，用加热电源加热，测量数据如下：

将数据绘图如下：

经过Origin分析，得到的曲线，如图：

从图像上得到居里温度为

思考与讨论

误差分析

1、  磁滞回线这个实验当中误差最大的部分来自示波器的读数上面。读数的时候由于不能同时读出x坐标和y坐标，因此会带来误差。为了减少误差，我们选择测量的格点都在与示波器相交的地方。

2、  用交流电桥测量居里温度的时候，由于电压表的示数是随着温度变化而不断变化的，由于器材的敏感度不够高，在试验所得到的数据中常常会有一些点略微与曲线趋势有所差距，这些点也加大了试验的误差。为此，我在电压变化较大的一段时间内采取了每0.1摄氏度测量一组数据点的方法，收到了较好的效果。

3、  计算居里温度的时候，需要用到微分计算。而曲线本身是拟合的，因此再次微分后得到的极小点也是有误差的。

4、  计算居里温度的时候，我们用铂电阻温度计测量线圈周围的温度。铂电阻的位置防止不好，会导致温度出现一定的误差。

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和不变；

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。

5．        测量磁滞回线得到的数据并不一定是按照一个回路的顺序的，但是放入Origin作图中之后要求这些数据必须是呈现一个回路。因此如果有经验的话，测量数据的时候就应该按照回路顺时针或者逆时针测量。

6．        铂电阻温度计应该尽量放在透明管的中间，并且靠近含有氧化铁的线圈。并且注意，实验的过程中不能碰到透明管，否则铂电阻温度的移动会导致数据测量不准确。

7．        要会熟练使用示波器。

附件：

参考前辈以及网上的一些资料，我们得到这个实验的相关补充材料。这些补充材料比较有意思，我把它们摘录如下，其中“示波器的使用方法”是比较有实际意义的：

关于居里温度

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。

实验时，磁性材料放在加热管里加热的时候不稳定，容易移动，没有很好的固定装置，给实验带来了很大的不变，建议实验设备可以增加一个固定装置，这样可以很方便地固定加热装置，同时可以避免烫伤。

实验时还应注意加热时应把测温计和磁性材料放的尽量靠近，以防止它们所在的区域有温度差异而使测量不准确。

加热时不要使用过大的加热电压，这样有可能测得的居里温度偏大。还应注意加热时不要随便移动装置，这样可能带来偶然误差。

测量磁滞回线的方法

电子积分器法是根据电磁感应原理将探测线圈测得的感生电势通过电子积分器积分来测量磁感应强度的方法；通常用直流产生稳定磁场，通过定量增加或减小励磁电流来改变磁场，逐点测量磁滞回线，称为静态磁滞回线。电子积分法物理过程清晰，测量较准确。

示波器法用交流（一般用50Hz）产生交变磁场，用示波器显示磁滞回线，称为动态磁滞回线。示波器法直观、简便，便于定性理解。

磁滞回线普通的应用有微波炉加热。

示波器使用方法

1         通用示波器通过调节亮度和聚焦旋钮使光点直径最小以使波形清晰，减小测试误差。

2         示波器在只使用一个通道情况下，触发源(SOURCE)的选择应与所用通道一致。

3         在使用两个通道观察两路波形时，首先根据所观察信号的频率选择显示方式为ALT 或CHOP，然后根据两路信号的关系选择触发源SOURCE，具体方法是如果两路信号有一定的关系，比如要同时观察电路的输入输出信号，则必须选择两个信号之一，一般选择周期较大或幅度较大的一个作为触发源，这样才能观察到两路信号的相位关系。如果两路信号无关系，例如一路是示波器的校准信号另一路是信号源的输出，则触发源要选VERT 才容易观察到两路稳定的波形，但此时示波器的显示不能体现两路信号的相位关系。

4         为保证波形稳定显示，在正确选择了触发源的前提下，还应注意调节触发电平旋钮(LEVEL)。

5         示波器显示波形时，水平方向一般应调到两到三个周期，垂直方向则应调到波形的高度占到满屏的三分之二或一半以上。

6         不要使示波器长时间停留于X-Y 方式，这样光点停留在一点不动，会使电子束长时间轰击屏幕一点，会在荧光屏上形成暗斑，损坏荧光屏。

7         在观察过程中，应避免经常启闭电源。示波器暂时不用时不必断开电源，只需调节辉度旋钮使亮点消失，到下次使用时再调节亮。因为每次电源接通时，示波管的灯丝尚处于冷态，电阻很小，通过的电流很大，会缩短示波管寿命。

后记

这里，说一点自己做实验的感想。首先，这个实验需要记录的数据不多，处理的方法也不是很麻烦，但是却比较有意思。在实验当中，示波器我使用的并不是很熟练，因此刚开始图像是反的，感谢助教帮我解决了这个问题。

在测量居里温度的时候，我在把铁氧体放入试验容器时遇到了一些麻烦，感谢助教的帮助，帮我放好了铁氧体。

最后，再次感谢助教老师的细心指导与帮助。