用示波器测动态磁滞回线、磁场测量实验报告

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

(动态磁滞回线实验)

  磁性材料在科研和工业中有着广泛的应用,种类也相当繁多,因此各种材料的磁特性测量,是电磁学实验中一个重要内容。磁特性测量分为直流磁特性测量和交流磁特性测量。本实验用交流正弦电流对磁性材料进行磁化,测得的磁感应强度与磁场强度关系曲线称为动态磁滞回线,或者称为交流磁滞回线,它与直流磁滞回线是有区别的。可以证明:磁滞回线所包围的面积等于使单位体积磁性材料反复磁化一周时所需的功,并且因功转化为热而表现为损耗。测量动态磁滞回线时,材料中不仅有磁滞损耗,还有涡流损耗,因此,同一材料的动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积稍大些。本实验重点学习用示波器显示和测量磁性材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的方法,了解软磁材料和硬磁材料交流磁滞回线的区别。

一.实验目的

1. 了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线的概念,加深对铁磁材料的重要物理量矫顽力、剩磁和磁导率的理解。

2. 用示波器测量软磁材料(软磁铁氧体)的磁滞回线和基本磁化曲线,求该材料的饱和磁感应强度、剩磁和矫顽力

3. 学习示波器的X轴和Y轴用于测量交流电压时,各自分度值的校准。

4. 用示波器显示硬铁磁材料(模具钢)的交流磁滞回线,并与软磁材料进行比较。

 二. 实验原理

(一)铁磁物质的磁滞现象

铁磁性物质的磁化过程很复杂,这主要是由于它具有磁性的原因。一般都是通过测量磁化场的磁场强度和磁感应强度之间关系来研究其磁化规律的。

如左图所示,当铁磁物质中不存在磁化场时,均为零,在图中则相当于坐标原点。随着磁化场的增加,也随之增加,但两者之间不是线性关系。当增加到一定值时,不再增加或增加的十分缓慢,这说明该物质的磁化已达到饱和状态。分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度(对应于图中点)。如果再使逐步退到零,则与此同时也逐渐减小。然而,其轨迹并不沿原曲线,而是沿另一曲线下降到,这说明下降为零时,铁磁物质中仍保留一定的磁性。将磁化场反向,再逐渐增加其强度,直到,这时曲线达到点(即反向饱和点),然后,先使磁化场退回到;再使正向磁化场逐渐增大,直到饱和值为止。如此就得到一条与对称的曲线,而自点出发又回到点的轨迹为一闭合曲线,称

为铁磁物质的磁滞回线,此属于饱和磁滞回线。其中,回线和 轴的交点 称为矫顽力,回线与 轴的交点 ,称为剩余磁感应强度。

(二)利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线

电路原理图如图2所示。

将样品制成闭合环状,其上均匀地绕以磁化线圈及副线圈。交流电压加在磁化线圈上,线路中串联了一取样电阻,将两端的电压加到示波器的X轴输入端上。副线圈与电阻和电容串联成一回路,将电容两端的电压加到示波器的Y轴输入端,这样的电路,在示波器上可以显示和测量铁磁材料的磁滞回线。

图2 用示波器测动态磁滞回线的电路图

1. 磁场强度的测量

设环状样品的平均周长为,磁化线圈的匝数为,磁化电流为交流正弦波电流,由安培回路定律,而,所以可得  

                                 (1)

式中,为取样电阻上的电压。由公式(1)可知,在已知的情况下,测得的值,即可用公式(1)计算磁场强度的值。

2.磁感应强度的测量

设样品的截面积为,根据电磁感应定律,在匝数为的副线圈中感生电动势

                                                  (2)

(2)式中,为磁感应强度对时间的导数。

若副线圈所接回路中的电流为,且电容上的电量为,则有

                                                 (3)

在(3)式中,考虑到副线圈匝数不太多,因此自感电动势可忽略不计。在选定线路参数时,将都取较大值,使电容上电压降,可忽略不计,于是(3)式可写为

                                    (4)

把电流代入(4)式得

                                                  (5)

把(5)式代入(2)式得

                 

在将此式两边对时间积分时,由于都是交变的,积分常数项为零。于是,在不考虑负号(在这里仅仅指相位差)的情况下,磁感应强度

                                                    (6)

式中,皆为常数,通过测量电容两端电压幅值代入公式(6),可以求得材料磁感应强度的值。

  当磁化电流变化一个周期,示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线,以后每个周期都重复此过程,形成一个稳定的磁滞回线。

3轴(Y轴)和轴(X轴)的校准

   虽然示波器Y轴和X轴上有分度值可读数,但该分度值只是一个参考值,存在一定误差,且X轴和Y轴增益可微调会改变分度值。所以,用数字交流电压表测量正弦信号电压,并且将正弦波输入X轴或Y轴进行分度值校准是必要的。

    将被测样品(铁氧体)用电阻替代,从R1上将正弦信号输入X轴,用交流数字电压表测量R1两端电压U有效,从而可以计算示波器该档的分度值(单位V/cm),见图3。须注意:

1、数字电压表测量交流正弦信号,测得得值为有效值。而示波器显示的该正弦信号值为正弦波电压峰-峰值。两者关系是

                                    (7)

2、用于校准示波器X轴档和Y轴档分度值的波形必须为正弦波,不可用失真波形。

用上述方法可以对示波器Y轴和X轴的分度值进行校准。

三.实验仪器及装置

 动态磁滞回线实验仪由可调正弦信号发生器、交流数字电压表、示波器、待测样品(软磁铁氧体、硬磁Cr12模具钢)、电阻、电容、导线等组成。其外型结构如图4所示。

图4 动态磁滞回线实验仪外观

四.实验内容

必做实验

 (一)观察和测量软磁铁氧体的动态磁滞回线

1.按图2要求接好电路图。

  2.把示波器光点调至荧光屏中心。磁化电流从零开始,逐渐增大磁化电流,直至磁滞回线上的磁感应强度达到饱和 (即值达到足够高时,曲线有变平坦的趋势,这一状态属饱和)。磁化电流的频率取50Hz左右。示波器的X轴和Y轴分度值调整至适当位置,使磁滞回线的值尽可能充满整个荧光屏,且图形为不失真的磁滞回线图形。

  3.记录磁滞回线的顶点,剩磁和矫顽力三个读数值(以长度为单位),在作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。

  4.对X轴和Y轴进行校准。计算软磁铁氧体的饱和磁感应强度和相应的磁场强度、剩磁和矫顽力。磁感应强度以为单位,磁场强度以为单位。

  5. 测量软磁铁氧体的基本磁化曲线。现将磁化电流慢慢从大至小,退磁至零。从零开始,由小到大测量不同磁滞回线顶点的读数值,用作图纸作铁氧体的基本磁化曲线(关系)及磁导率与磁感应强度关系曲线(曲线),其中

  (二) 观测硬磁Cr12模具钢(铬钢)材料的动态磁滞回线

1. 将样品换成Cr12模具钢硬磁材料,经退磁后,从零开始电流由小到大增加磁化电流,直至磁滞回线达到磁感应强度饱和状态。磁化电流频率约为f=50Hz左右。调节X轴和Y轴分度值使磁滞回线为不失真图形。(注意硬磁材料交流磁滞回线与软磁材料有明显区别,硬磁材料在磁场强度较小时,交流磁滞回线为椭圆形回线,而达到饱和时为近似矩形图形,硬磁材料的直流磁滞回线和交流磁滞回线也有很大区别。(见参考资料7)

    2. 对X轴和Y轴进行校准,并记录相应的,值,在作图纸上近似画出硬磁材料在达到饱和状态时的交流磁滞回线。

五.实验数据例(仅供参考)

铁氧体基本磁化曲线与磁滞回线的测量

测量铁氧体的基本磁化曲线时,先将样品退磁,然后从零开始不断增大电流,记录各磁滞回线顶点的值,直至达到饱和。注意由于基本磁化曲线各段的斜率并不相同,一条曲线至少20余个实验数据点,实验结果如表1所示。(本示波器,估读至小格,即)。        

表1 软磁铁氧体基本磁化曲线的测量

并且记录得到矫顽力在示波器上显示,剩磁在示波器上显示,饱和磁感应强度在示波器上显示

    根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线:

 

铁氧体环状样品,外径,内径,高=,平均周长,磁环截面积

示波器X轴定标:

正弦波峰峰值在示波器上读为3.00cm,用交流数字电压表测量R1两端电压得有效值为21.1mV,U峰-峰=2.U有效=2×21.1mV=42.2mV。所以X轴灵敏度==19.89mV

示波器Y轴定标:

峰峰值为4.60cm,用交流数字电压表测量电容两端电压U有效=16.2mV。

U峰-峰=2.U有效=2×16.2mV。所以Y轴灵敏度==9.96mV。

初级线圈和次级线圈匝数相等,即,电阻,,电容,所以

磁场强度

磁感应强度

根据上面记录数据得到:矫顽力

                      剩磁

                      饱和磁感应强度

六.思考题

1. 在公式(3)中,时可将忽略,考虑一下,由这项忽略引起的不确定度有多大?

2.   在测量曲线过程,为何不能改变X轴和Y轴的分度值?

3.   示波器显示的正弦波电压值与交流电压表显示的电压值有何区别?两者之间如何换算?

4.   硬磁材料的交流磁滞回线与软磁材料的交流磁滞回线有何区别?

附录:

 软磁材料和硬磁材料介绍

磁滞回线所围面积很小的材料称为软磁材料。这种材料的特点是磁导率较高,在交流下使用时磁滞损耗也较小,故常作电磁铁或永磁铁的磁轭以及交流导磁材料。如电工纯铁、坡莫合金、硅钢片、软磁铁氧体等都属于这一类。磁滞回线所围面积很大的材料称为硬磁材料,其特征常常用剩余磁感应强度和矫顽力,此两个特定点数值表示。大的材料可作为永久磁铁使用。有时也用乘积的最大值衡量硬磁材料的性能,称为最大磁能,硬磁材料典型例子是各种磁钢合金和永久钡铁氧体。

 

第二篇:用示波器观察铁磁材料的动态磁滞回线_实验报告

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Hc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Bs、剩磁Br 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HD、Br、BS和(Hm·Bm)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H=O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HS→O→HD→-HS→O→HD´→HS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,UB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B-H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。UH和UB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Hm和Bm值,作μ~H曲线。

7. 令U=11.0V,R1=2.5Ω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。

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