《大学物理实验》教案实验21 用示波器法测定铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线

《大学物理实验》课程教学大纲(045月)

课程编号:010C1041、010C1042

60学时       3学分

一、课程教学对象

本课程教学对象为全校理工科类各专业的本科生。

二、课程性质、目的和任务

《大学物理实验》是理工科类学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础课程,是学生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练的开端,是大学生今后从事科学实验工作的入门课程,它的一整套实验知识、方法和技能也是各专业后续课程的基础之一。

本课程设置的目的:

使学生在物理实验的基础知识、基本方法和基本实验技能方面受到一定的训练,培养学生具有初步的实验能力、良好的实验习惯、遵守纪律和爱护公共财产的优良品德、严谨求实的治学态度、活跃的实验科学思维、敢于探索的创新精神、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力,为各专业学生学习后续课程和今后从事科技工作打下基础。

本课程的任务:

1.          培养学生实事求是的精神和严谨的科学态度,如实地记录实验中出现的物理现象和实验数据,能根据实验要求设计数据表格;

2.          初步学会用科学实验的思想和方法观察、分析某些简单的物理现象和规律,理论联系实际,加深对物理学原理的理解;

3.          掌握一些常用物理量及物性参数(如长度、时间、质量、热量、温度、压强、电流、电压、电阻、电感、电容、磁场强度、光强度、频率、波长、折射率、电子电荷)的测量方法,能正确使用常用的物理实验仪器和量具,能按实验要求选择仪器的准确度等级或测量范围,注意加强数字化测量技术和计算技术在物理实验教学中的应用;

4.          掌握常用的实验操作技术。例如:零位调整、水平/铅直调整、光路的共轴调整、消视差调整、逐次逼近调整、根据给定的电路图正确接线、简单的电路故障检查与排除,以及在近代科学研究与工程技术中广泛应用的仪器的正确调节;

5.          了解常用的物理实验方法,并逐步学会使用。例如:比较法、转换法、放大法、模拟法、平衡法和干涉、衍射法,以及在近代科学研究和工程技术中的广泛应用的其他方法;

6.          培养学生正确处理实验数据的初步能力:

1)         掌握有效数字运算法则;

2)         掌握一些常用的实验数据处理方法(如列表法、逐差法、作图法等),初步学会应用计算机通用软件处理实验数据的基本方法;

3)         掌握测量误差与不确定度的基本概念,学会直接测量和间接测量的不确定度估算方法,正确表达实验结果;

4)         初步学会分析实验误差的性质以及减小、消除或校正某些误差的方法。

7.          培养与提高学生的科学实验能力:

1)         独立实验的能力——能够通过阅读实验教材、查询有关资料和思考问题,掌握实验原理及方法、做好实验前的准备;能够借助教材或仪器说明书正确使用仪器设备和实验装置,正确测读、记录和处理实验数据,绘制曲线;独立完成实验内容、分析实验结果、撰写合格的实验报告;培养学生逐步形成自主实验的基本能力。

2)         分析与研究的能力——能够融合实验原理、设计思想、实验方法及相关的理论知识对实验结果进行分析、判断、归纳与综合。掌握通过实验进行物理现象和物理规律研究的基本方法,具有初步的分析与研究的能力。

3)         理论联系实际的能力——能够运用物理学理论在实验中发现问题、分析问题,并学习解决问题的科学方法,逐步提高学生综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力。

4)         创新能力——能够完成符合规范要求的综合性、设计性内容的实验,进行初步的具有研究性或创意性内容的实验。激发学生的学习主动性,逐步培养学生的创新能力。

三、对先修课程的要求

学生在学习本课程前应有较好的中学物理实验基础和一定的《高等数学》和《大学物理》课程基础,掌握一定的物理理论知识和思维方法,具有一定的分析问题、解决问题的能力以及运用导数、微积分等数学工具的能力。

四、课程的主要内容、基本要求和学时分配

五、习题课(讨论课)内容和要求

关于直接测量量和间接测量量的数据处理和误差计算、实验方法、对实验报告的要求、问题讨论等将穿插在各个实验中进行,不另计算学时。

六、实验内容和要求

见第四条。

七、主要教材及参考书

本课程所用教材为华南理工大学出版社出版的《大学物理实验》(段长虹主编),有关理工科类院校的物理实验教材均可作为参考书。

八、说明

1、     本教学大纲从20##级学生开始使用。随着《大学物理实验》课程教学的不断改革、实验仪器和实验内容及实验项目的不断更新,《大学物理实验》课程教学大纲也将作相应修改。

2、     本课程开出时间为:大学一年级第2学期(30学时)和大学二年级第1学期(30学时)。

3、     在第四条“课程的主要内容、基本要求和学时分配”中列出了23个实验项目以供选择,课程教学的总学时数必须达到《大学物理实验》课程教学大纲规定的60学时,其中“绪论”、“ 两量程三用电表的设计、制作和校准”、“ 物理实验设计和研究”和“ 考查”等四个实验项目为必选项目。

          

 

第二篇:磁滞回线实验讲义(用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线)

41 用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线

铁磁材料应用广泛,从常用的永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存储用的磁带、磁盘等都采用铁磁性材料。磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料的主要特征。 根据磁滞回线的不同,可将铁磁材料分为硬磁和软磁两大类,其根本区别在于矫顽磁力Hc的大小不同。硬磁材料的磁滞回线宽,剩磁和矫顽磁力大(大于10A/m),因而磁化后,其磁感应强度可长久保持,适宜做永久磁铁。软磁材料的磁滞回线窄,矫顽磁力Hc一般小于10A/m,但其磁导率和饱和磁感强度大,容易磁化和去磁,故广泛用于电机、电器和仪表制造等工业部门。

本实验通过示波器来观测不同磁性材料的磁滞回线和基本磁化曲线,以加深对材料磁特性的认识。

【实验目的】

1、掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念,加深对铁磁材料的主要物理量:矫顽力、剩磁和磁导率的理解。

2、学会用示波器法观测基本磁化曲线和磁滞回线。

3、根据磁滞回线确定磁性材料的饱和磁感应强度Bs、剩磁Br和矫顽力Hc的数值。

4、研究不同频率下动态磁滞回线的区别。

5、改变不同的磁性材料,比较磁滞回线形状的变化。

【实验仪器】

DH4516N型动态磁滞回线测试仪,示波器。

【实验原理】

1、磁化曲线

如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质,则磁场将明显增强,此时铁磁物质中的磁感应强度比单纯由电流产生的磁感应强度增大百倍,甚至在千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系:

B=μH

对于铁磁物质而言,磁导率μ并非常数,而是随H的变化而改变的物理量,即μ=?(H),为非线性函数。所以如图1所示,B与H也是非线性关系。

铁磁材料的磁化过程为:其未被磁化时的状态称为去磁状态,这时若在铁磁材料上加一个由小到大的磁化场,则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大,其22

B-H变化曲线如图1所示。但当H增加到一定值(Hs)后,B几乎不再随H的增加而增加,说明磁化已达饱和,从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。如图1中的OS端曲线所示。

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

图1 磁化曲线和μ~H曲线

2、磁滞回线

当铁磁材料的磁化达到饱和之后,如果将磁化场减少,则铁磁材料内部的B和H也随之减少,但其减少的过程并不沿着磁化时的OS段退回。而且当磁化场撤消,H=0时,磁感应强度仍然保持一定数值B=Br,称为剩磁(剩余磁感应强度),如图2所示。

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

图2 起始磁化曲线与磁滞回线

1

若要使被磁化的铁磁材料的磁感应强度B减少到0,必须加上一个反向磁场并逐步增大。当铁磁材料内部反向磁场强度增加到H =-Hc时(图2上的c点),磁感应强度B才是0,达到退磁。图2中的的bc段曲线为退磁曲线,Hc为矫顽磁力。继续增加反向磁场,铁磁质的磁化达到反向饱和。如果减小反向磁场强度,同样出现剩磁现象。如图2所示,所形成的封闭曲线abcdefa称为磁滞回线。这种B的变化始终落后于H的变化的现象,称为磁滞现象。

当从初始状态(H = 0,B = 0)开始周期性地改变磁场强度的幅值时,在磁场由弱到强单调增加过程中,可以得到面积由大到小的一簇磁滞回线,如图3所示。其中最大面积的磁滞回线称为极限磁滞回线。

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

把图3中原点O和各个磁滞回线的顶点a1,a2,…a所连成的曲线,称为铁磁性材料的基本磁化曲线。不同的铁磁材料其基本磁化曲线是不相同的。为了使样品的磁特性可以重复出现,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,因此在测量前必须进行退磁,消除样品中的剩余磁性,以保证外加磁场H = 0,B = 0。在理论上,要消除剩磁Br,只需通一反向励磁电流,使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力即可。实际上,矫顽磁力的大小通常并不知道,因而无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示,如果使铁磁材料磁化达到磁饱和,然后不断改变励磁电流的方向(如采用交变电流),与此同时逐渐减小励磁电流,直到为零。则该材料的磁化过程就是一连串逐渐缩小而最终趋于原点的环状曲线,如图4所示。当H减小到零时,B亦同时降为零,达到完全退磁。

2

实验表明,经过多次反复磁化后,B -H的量值关系形成一个稳定的闭合的“磁滞回线”。通常以这条曲线来表示该材料的磁化性质。这种反复磁化的过程称为“磁锻炼”。本实验使用交变电流,所以每个状态都是经过充分的“磁锻炼”,随时可以获得磁滞回线。

3、示波器法观测磁滞回线原理

用示波器测量B —H曲线的实验线路如图5所示。

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

图 5

在圆环状磁性样品上绕有励磁线圈N1匝(原线圈)和测量线圈N2 匝(次线圈),当N1 通以交变电流i1 时,样品内将产生磁场,根据安培环路定律有:

i1=HL (1) N1

式中L为的环状样品的平均磁路长度。R1两端的电压UR1为:

UR=1LR1H (2) N1

上式表明磁场强度H与UR1成正比,将R1两端的电压送到示波器的X输入端,即

UX=UR1,则示波器X方向偏转量的大小反映了磁场强度H 的大小。

为了测量磁感应强度B,在次级线圈N2上串联一个电阻R2与电容C构成一个回路,同时R2与C又构成一个积分电路。线圈N1中交变磁场H在铁磁材料中产生交变的磁感应强度B,因此在线圈N2中产生感应电动势,其大小为:

dΦdB=N2Sε2= (3) dtdt

式中S为线圈N2的横截面积。回路中的电流为:

3

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

i2= (4)

式中ω为电源的角频率。若适当选择R2和C使 R 2 ,则: >>

i2≈

电容C两端的电压为:

UC=ε2R21ωC (5) Q1NS=∫i2dt=2B (6) CCCR2

将电容C两端电压送至示波器的Y轴输入端,即UY=UC,则示波器Y方向偏转量的大小反映了磁感应强度B的大小。

可见,只要通过示波器测出UX 、 UY的大小,即可得到相应的H和B值。当励磁电流周期性变化时,并由小到大调节信号发生器的输出电压时,即能在荧光屏上观察到由小到大扩展的磁滞回线图形。如果逐次记录其正顶点的坐标,并在座标纸上把它连成光滑的曲线,就得到样品的基本磁化曲线。

【实验内容与步骤】

1.实验前先熟悉实验仪器的构成。本实验所用DH4516N型动态磁滞回线测试仪由测试样品、功率信号源、可调标准电阻、标准电容和接口电路等组成。仪器面板如图6所示。

测试样品有两种,一种是圆形罗兰环,材料是锰锌功率铁氧体,磁滞损耗较小;另一种是EI型硅钢片,磁滞损耗较大些。信号源的频率在20~200Hz间可调;可调标准电阻R1、R2均为无感交流电阻,R1的调节范围为0.1~11?;R2的调节范围为1~110k?。标准电容有0.1μF~11μF可选,其介质损耗很小。

实验样品的参数如下:

样品1:平均磁路长度L=0.130m,铁芯实验样品截面积S=1.24×10-4m2,线圈匝数:N1=150匝,N2=150匝;N3=150匝。

样品2:平均磁路长度L=0.075m,铁芯实验样品截面积S=1.20×10-4m2,线圈匝数:N1=150匝,N2=150匝;N3=150匝。

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磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

图 6 DH4516N型动态磁滞回线测试仪

2. 观测样品1在不同频率交流信号下的磁化曲线和磁滞回线。

(1)按图5所示的线路图接线。

注意:由于信号源、电阻R1和电容C的一端已经与地相连,所以不能与其他接线端相连接。否则会短路信号源、UR或UC,从而无法正确做出实验。

标有红色箭头的线表示接线的方向,样品的更换通过换接接线位置来完成。

(2)逆时针调节幅度调节旋钮到底,使信号输出最小。调示波器显示工作方式为X-Y方式, 示波器X输入和Y输入选择为DC方式。

(3)接通示波器和DH4516N型动态磁滞回线测试仪电源,适当调节示波器辉度,以免荧光屏中心受损。预热10分钟后开始测量。

(4)将示波器光点调至显示屏中心,调节实验仪频率调节旋钮,频率显示窗显示50.00Hz。

(5)退磁。

①单调增加励磁电流,即缓慢顺时针调节幅度调节旋钮,使示波器显示的磁滞回线上B值缓慢增加,达到饱和。改变示波器上X、Y输入衰减器开关(偏转因数旋钮),并将他们的微调旋钮顺时针旋转到底(此时偏转因数旋钮对应的数值处于校准状态),调节R1、 5

R2的大小,使示波器显示出典型美观的磁滞回线图形,并使磁滞回线顶点在水平方向上的读数为(-5.00,+5.00)格,此后,保持示波器上X、Y输入偏转因数旋钮和R1、R2值固定不变,以便进行H、B的测量。

②单调减小励磁电流,即缓慢逆时针调节幅度调节旋钮,直到示波器最后显示为一点,位于显示屏的中心,即X和Y轴线的交点,如不在中间,可调节示波器的X和Y位移旋钮。实验中可用示波器X、Y输入的接地开关检查示波器的中心是否对准屏幕X、Y坐标的交点。

注意:励磁电流在实验过程中只允许单调增加或减少,不能时增时减。

在频率较低时,由于相位失真,磁滞回线经常会出现如图7所示的畸变。这时需要选择合适的R1、R2和C的阻值,可避免这种畸变,得到最佳磁滞回线图形。

磁滞回线实验讲义用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

图 7

(6)测磁化曲线(即测量大小不同的各个磁滞回线的顶点的连线)。

①单调增加磁化电流,即缓慢顺时针调节幅度调节旋钮,使磁滞回线顶点在X方向读数分别为0、0.40、0.80、1.20、1.60、2.00、2.40、3.00、4.00、5.00,单位为格(指一大格),记录磁滞回线顶点在Y方向上读数。将数据填入表1。

表 1

6序号 X/格 Y/格 0.80 1.60 2.00 2.40 3.00

注意:测量过程中保持示波器上X、Y输入偏转因数旋钮和R1、R2值固定不变,并记录下列数据:

R1 = Ω; R2 = Ω; C = F;

Sx = V/格(X偏转因数调节钮的读数);

Sy = V/格(Y偏转因数调节钮的读数)。

②计算相应的H(A/m)和B(mT)值。

根据X、Y的读数可以得到输入到示波器X偏转板和Y偏转板上的电压:

由公式(2)和(6)可知:

UX=UR=1UX=Sx?X UY=Sy?Y LR1H N1

N2SB CR2UY=UC=

则有:

H=N1?SxX LR1

C?R2?Sy

N2SY B=

③根据得到的H和B值绘制磁化曲线,并给出饱和磁感应强度的大小。

④计算磁导率μ(指相对磁导率),并绘制μ-H曲线。

磁导率定义为: μ=B μ0H

通常铁磁材料的μ是温度T、磁化场H、频率f的函数。基本磁化曲线上的点与原点的连线的斜率即为磁导率。H→0时的磁导率称为起始磁导率,即

μi=lim

B H→0μH07

(7)测绘动态磁滞回线

①当示波器显示的磁滞回线的顶点在X方向上读数为(-5.00,+5.00)格时(即在饱和状态),记录磁滞回线在X坐标分别为-5.00、-4.00、-3.00、-2.00、-1.50、-1.00、-0.50、0.00、0.50、1.00、1.50、2.00、3.00、4.00、5.00格时,相对应的Y坐标,将数据填入表2。

表2 续表

②计算相应的H和B值,并绘制B-H图(磁滞回线)。 ③给出剩磁和矫顽力的大小。

(8)逆时针调节(幅度调节旋钮到底),使信号输出最小,调节实验仪频率调节旋钮,频率显示窗分别显示150.0Hz,重复上述(5)-(7)的操作,比较磁滞回线形状的变化。 3. 观测样品2在交流信号频率为50赫兹时的磁化曲线和磁滞回线,并与样品1进行比较。 测量方法同样品1 【思考题】

1. 什么叫磁滞回线?测绘磁滞回线和磁化曲线为何要先退磁? 2. 怎样使样品完全退磁,使初始状态在H=0,B=0点上?

3. 用示波器法观测磁滞回线时,通过什么方法获得B和H两个磁学量? 4. 如何判断铁磁材料属于软、硬磁材料?

5. 磁滞回线的形状随交流信号频率如何变化?为什么?

注:做本实验前请预习或复习示波器的使用方法(实验20)。

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序号 -1.50

-2.00X/格 Y1/格 Y2/格

序号X/格Y1/格Y2/格

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