实验25铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验二十五铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

一、实验目的

1. 认识铁磁物质的磁化规律和动态磁化特性。

2. 测定样品的基本磁化曲线，作μ－H曲线。

二、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，铁磁物质仍保留磁化状态。图25-1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25-1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，而是沿另一条曲线SR下降。比较线段OS和SR可知，H减小时B也相应减小，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25-1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25-2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。由此曲线可近似确定其磁导率。因B与H的关系为非线性，故铁磁材料的μ不是常数，而是随H而变化（如图25-3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。

磁化曲线和磁滞回线是对铁磁材料进行分类和选用的主要依据。图25-4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 25-3 铁磁材料µ与H并系曲线图 25-4 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25-5所示。

25-5 实验线路

被测样品为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，样品的磁化场强为 H=In/L , L为样品的平均磁路。

= ，（）

式中的N、L、R₁均为已知常数，所以由U₁可确定H。

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是由测量绕组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：

，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，为积分电容C₂两端电压。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C₂，使>>，则

= ，（）

上式中C₂、R₂、n和S均为已知常数。所以由U₂可确定B。

综上所述，将图25-5中的u₁和u₂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。

三、实验内容

1. 实验线路：采用HE-18实验箱“磁滞回线的观测”线路。由于H=K₁U₁，B=K₂U₂，故U₁、U₂的值即反映了H、B的大小。将“降压选择”旋钮置于0位。U₁和U₂分别接示波器的的“X输入”和“Y输入”，插孔⊥为公共端。

2. 样品退磁：开启降压变压器电源，对试样进行退磁，即转动“降压选择”旋钮，令U从0增至3V，然后再从3V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25-6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

出现如图25-7所示的小环，这时可降低励磁电压U予以消除。

4. 观测基本磁化曲线。按步骤2对样品进行退磁后，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。借助示波器读出每一个磁滞回线两个顶点处的U₁、U₂值，记于下表中。

四、实验报告

1．根据实验数据，描绘基本磁化曲线，纵坐标为B（即K₂U₂），横坐标为H（即K₁U₁）。

2．描绘μ-H曲线，纵坐标为μ=，横坐标H（即K₁U₁）。

以上K₁～K₃均为确定的常数，可纳入坐标尺的比例中，从而可直接用U₁、U₂、U_２/U_１来作图，即可定性地表现出基本磁化曲线和μ-H曲线。

第二篇：铁磁材料磁滞回线和磁化曲线的测量

实验铁磁材料磁滞回线和磁化曲线的测量

在交通、通讯、航天、自动化仪表等领域中，大量应用各种特性的铁磁材料。常用的铁磁材料多数是铁和其它金属元素或非金属元素组成的合金以及某些包含铁的氧化物（铁氧体）。铁磁材料的主要特性是磁导率μ非常高，在同样的磁场强度下铁磁材料中磁感应强度要比真空或弱磁材料中的大几百至上万倍。

磁滞回线和磁化曲线表征了磁性材料的基本磁化规律，反映了磁性材料的基本磁参数，对铁磁材料的应用和研制具有重要意义。本实验利用交变励磁电流产生磁化场对不同性能的铁磁材料进行磁化，通过单片机采集实验数据，测绘磁滞回线和磁化曲线，研究铁磁材料的磁化性质。

实验目的

1、了解用示波器显示和观察动态磁滞回线的原理和方法。

2、掌握测绘铁磁材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的原理和方法，加深对铁磁材料磁化规律的理解。

3、学会根据磁滞回线确定矫顽力、剩余磁感应强度、饱和磁感应强度、磁滞损耗等磁化参数。

4、学习测量磁性材料磁导率的一种方法，并测绘铁磁材料的—曲线，了解铁磁材料的主要特性。

实验仪器

TH—MHC型磁滞回线实验仪，智能磁滞回线测试仪，双踪示波器等。

实验原理

1、铁磁材料的磁化特性及磁导率

1）初始磁化曲线和磁滞回线

研究铁磁材料的磁化规律，一般是通过测量磁化场的磁场强度H与磁感应强度B之间的关系来进行的。铁磁材料的磁化过程非常复杂，B与H之间的关系如图1所示。当铁磁材料从未磁化状态（H=0且B=0）开始磁化时，随的增加而非线性增加。当增大到一定值后，增加十分缓慢或基本不再增加，这时磁化达到饱和状态，称为磁饱和。达到磁饱和时的和分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度（对应图1中Q点）。B~H曲线OabQ称为初始磁化曲线。当使从Q点减小时，也随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线QRD下降。当逐步较小至0时，不为0，而是，说明铁磁材料中仍然保留一定的磁性，这种现象称为磁滞效应；称为剩余磁感应强度，简称剩磁。要消除剩磁，必须加一反向的磁场，直到反向磁场强度＝，才恢复为0，Hc称为矫顽力。继续反向增加，曲线达到反向饱和（Q'点），对应的饱和磁场强度为，饱和磁感应强度为。再正向增大，曲线回到起点Q。从铁磁材料的磁化过程可知，当磁化场按→0→→→0→Hc→依次变化时，所经历的相应变化依次为→→0→－→－→0→，这一过程形成的闭合B~H曲线称为磁滞回线。采用直流励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为静态（直流）磁滞回线；采用交变励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为动态（交流）磁滞回线。

2）磁滞损耗

当铁磁材料沿着磁滞回线经历磁化→去磁→反向磁化→反向去磁的循环过程中，由于磁滞效应，要消耗额外的能量，并且以热量的形式耗散掉。这部分因磁滞效应而消耗的能量，叫做磁滞损耗。一个循环过程中单位体积磁性材料的磁滞损耗正比于磁滞回线所围的面积。在交流电路中磁滞损耗是十分有害的，必须尽量减小。要减小磁滞损耗就应选择磁滞回线狭长、包围面积小的铁磁材料。如图2所示，工程上把磁滞回线细而窄、矫顽力很小[~1安培/米（10^-2奥斯特）]的铁磁材料称为软磁材料；把磁滞回线宽、矫顽力大[~10⁴—10⁶安培/米（10²—10⁴奥斯特）]的铁磁材料称为硬磁材料。软磁材料适合做继电器、变压器、镇流器、电动机和发电机的铁芯。硬磁材料则适合于制造许多电器设备（如电表、扬声器、电话机、录音机）中的永磁体。

3）基本磁化曲线和磁导率

未磁化状态的铁磁材料，在交变磁化场作用下由弱到强依次进行磁化的过程中，可以测出面积由小到大的一簇磁滞回线，如图3所示。这些磁滞回线顶点的连线叫做铁磁材料的基本磁化曲线。

根据基本磁化曲线可以近似确定铁磁材料的磁导率。从基本磁化曲线上一点到原点O连线的斜率定义为该磁化状态下的磁导率。由于磁化曲线不是线性的，当由0开始增加时，也逐步增加，然后达到一最大值。当再增加时，由于磁感应强度达到饱和，开始急剧减小。随的变化曲线如图4所示。磁导率μ非常高是铁磁材料的主要特性，也是铁磁材料用途广泛的主要原因之一。