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。

2、动态磁滞回线的测量方法

实验中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，测绘动态磁滞回线和基本磁化曲线。如图5所示，待测铁磁材料样品做成“曰”型，为励磁线圈，是为测量磁感应强度而设置的探测线圈。动态磁滞回线测量电路原理图如图6所示，为测量励磁电流的取样电阻，、组成测量磁感应强度的积分电路。

1）磁场强度的测量

设通过匝励磁线圈的交流励磁电流为，为样品的平均磁路长度，根据安培环路定律，样品中的磁场强度。因为，U₁为R₁的端电压，所以有

                                                     （1）

上式说明，根据已知的、、，只要测出，即可确定。

如果接入示波器的X输入，则示波器荧光屏上电子束水平偏转的大小与样品中的磁场强度成正比。

2）磁感应强度的测量

在交变磁场作用下样品中磁感应强度的测量是通过探测线圈和、组成的积分电路实现的。根据法拉第电磁感应定律，由于样品中磁通的变化在匝数为n的探测线圈中产生的感生电动势的大小为，即。因，为样品的截面积，于是

                             （2）

忽略自感电动势和电路损耗，回路方程为，式中是感生电流，为积分电容两端的电压。设在时间内，向电容充电电量为，则，所以有。如果选取足够大的和，使>>，则有。又因为，所以

                           （3）

由（2）、（3）两式可得

                              （4）

上式说明，已知、、、后，测量即可确定。

如果接入示波器的Y输入，则示波器荧光屏上电子束垂直偏转的大小与样品中的磁感应强度成正比。

3）B～H曲线的示波器显示

根据上述H和B的测量原理可知，当接入示波器的X输入、接入示波器的Y输入时，在励磁电流变化的一个周期内，示波器的光点描绘出一个完整的磁滞回线。每个周期都重复这一过程，这样在示波器的荧光屏上就会观察到一个稳定的磁滞回线图形。

实验内容

1、连接测量线路

选择测试样品1，按照图6正确连接实验线路，调整好双踪示波器。

2、测绘磁滞回线

1）样品退磁

打开实验仪电源，对样品退磁。顺时针方向转动励磁电压“U选择”旋钮，使U从0增加到3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从３Ｖ降至0。退磁的目的是使样品处于磁中性状态，即＝0，＝0。

2）观察磁滞回线

调节示波器各旋钮使光点处于坐标原点，选择（测试仪中的默认值），励磁电压从0逐渐增加，调节示波器的Ｘ轴和Ｙ轴灵敏度，使屏幕上显示大小合适的磁滞回线。若出现如图7所示的畸变，可适当降低。注意观察磁滞回线的变化情况，正确判断出样品达到磁化饱和状态的磁滞回线（磁滞回线的面积不再随U的增加而变大）。

3）测绘磁滞回线

当示波器上显示磁饱和时的磁滞回线后，使用智能磁滞回线测试仪采集和的数据，并记录磁滞损耗和40组左右的、数据，注意每个象限选取约10数据点。用坐标纸或计算机画出磁滞回线，从图上读出饱和磁感应强度、饱和磁场强度和矫顽力。确定所测样品是软磁材料还是硬磁材料。

3、测绘基本磁化曲线和～曲线

按照上述样品退磁方法对样品重新退磁，依次测定励磁电压＝０.5、１.0、……、３.0V时各磁滞回线所对应的和的最大值（即磁滞回线的顶点），用坐标纸或计算机画出样品的基本磁化曲线。计算对应的磁导率，作～曲线。

4、选择样品2，重复上述实验内容1～3。比较样品1和样品2的磁化特征，分析铁磁材料的磁化特性。为了便于比较，样品1和样品2的同一类型的曲线（如磁滞回线）画在同一个图上。

思考题

1、简要说明铁磁材料基本磁化曲线和磁滞回线的主要特性。

2、什么是软磁材料？什么是硬磁材料？举例说明软磁材料和硬磁材料的应用。

3、本实验中在基本磁化曲线和磁滞回线的测量过程中，都是作—曲线，操作步骤的主要区别是什么？

参考文献

1、丁慎训、张连芳. 物理实验教程. 北京：清华大学出版社，20##年.

2、任隆良、谷晋骐. 物理实验. 天津：天津大学出版社，20##年.

3、贾玉润、王公治、凌佩玲. 大学物理实验. 上海：复旦大学出版社，1987年.

4、王惠棣、柴玉瑛、邱尔瞻等. 物理实验. 天津：天津大学出版社，1989年.

5、赵觊华、陈熙谋. 电磁学. 北京：人民教育出版社，1978年.

6、杭州天科技术实业有限公司. TH/KH-MHC型智能磁滞回线实验仪.

 

第二篇：用示波法测量铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线

MingDa

Teaching Apparatuses

明 达 科 教

物理电磁学实验

CZY─1 型

磁滞回线实验仪

（实验指导书、使用说明书）

合肥明达科教电子仪器厂

地址：合肥市临泉东路龙岗开发区何坝院 邮编：231633

电话（传真）：0551-4321386 传真：0551-4321633 手机：139xxxxxxxx 网址：WWW.hfmd.net E-Mail:hfmd@hfmd.net 联系人：刘恩德 1

Y

X

用示波法测量铁磁材料的

动态磁滞回线和基本磁化曲线

磁性材料应用广泛，从常用的永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存储的磁盘等都采用磁性材料。磁滞回线和基本磁化曲线反映了磁性材料的主要特征。通过实验不仅能掌握用示波器观察磁滞回线，以及基本磁化曲线的基本测量方法，而且能从理论和实际应用上加深对铁磁材料的认识。

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，剩磁和矫顽力大（达120～20000A/m以上），因而磁化后，其磁性可长久保持，适宜做永久磁铁。软磁材料的磁滞回线窄，矫顽力Hc一般小于120A/m，但其磁导率和饱和磁感应强度大，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。磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料的重要特性，是设计电磁机构和仪表的重要依据之一。

磁学量的测量一般比较困难，通常利用一定物理规律，将磁学量转换为易于测量的电学量。这种转换测量法是物理实验中常用的基本测量方法。

一、实验目的

1、认识铁磁物质的磁化规律，比较三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，并在坐标纸上作出??H曲线。

3、测定样品的HC、Br、BS等参数

4、学会用示波器测绘基本磁化曲线和动态磁滞回线。

二、实验原理

2

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没放入铁磁物质时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??H

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

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由小到大变化的磁化场，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。但当H增加到一定值（Hs）后，B几乎不再随着H的增加而增加，说明磁化达到饱和，如图（1）中的OS段曲线所示。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。

2、磁滞回线

当铁磁材料的磁化达到饱和之后，如果将磁场减小，则铁磁材料内部的B和H也随之减小。但其减小的过程并不是沿着磁化时的OS段退回。显然，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）。

若要使被磁化的铁磁材料的磁感应强度B减小到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才为0，达到退磁。图（2）中的bc段曲线为退磁曲线，HC为矫顽力。如图（2）所示，H按O?HS?O?-HS?-HC?O?HC?HS的顺序变化时，B相应沿O?BS?Br?O?-BS?-Br?O?BS的顺序变化。图中 3

的Oa段曲线称起始磁化曲线，所形成的封闭曲线abcdefa称为磁滞回线。 由图（2）可知：

（1） 当H?0时，B?0，这说明铁磁材料还残留一定值的磁感应强度Br，通 常称Br为铁磁物质的剩余感应强度（剩磁）。

（2） 若要使铁磁物质完全退磁，即B?0必须加一个反向磁场HC。这个反向磁场强度HC称为该铁磁材料的矫顽力。

（3） 图中bc曲线段称为退磁曲线。

（4） B的变化始终落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。

（5） H的上升与下降到同一数值时，铁磁材料内部的B值并不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。

（6） 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。

（7）由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场H?0时，B?0；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减少，不能时增时减。在理论上，要消除剩磁Br，只需改变磁化电流方向，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可。实际上，矫顽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，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，直至为零。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

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”。本实验采用50赫兹的交变电流，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。

我们把图（3）中原点O和各个磁滞回线的顶点a1,a2,a3?an所连成的曲线， 4

称为铁磁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，在测量前必须进行退磁，以消除样品中的剩余磁性。

磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，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，可用来制造永久磁体。

3、示波器显示B—H曲线的原理和线路

示波器测量B—H曲线的实验线路如图（5）所示。

图（5）

本实验研究的铁磁物质为环型和EI型矽钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁感应强度B而设臵的绕组。R1为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流

为i1，根据安培环路定律，样品的磁化场强为：

图（6）

NiH?L为样品的平均磁路长度（如图6） L

U因为：i1?1，所以： R1

NNi?U1 （1） H?1?LLR1

（1）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是测量绕组n和R2C2电路给定的，

5

根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通?的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：

d? ?2?ndt1

????2dt

n?1

B???2dt （2）

SnS?

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

?2?i2R2?U2

式中i2为感生电流，U2为积分电容C2两端电压，设在?t时间内，i2向电容C2的充电电量为Q，则：

Q U2?C2

所以，

Q

?2?i2R2?

C2

Q

如果选取足够大的R2和C2,使i2R2??则：

C2

?2?i2R2

因为

dU2dQ

i2??C2

dtdt

所以

dU2

?2?C2R2 （3）

dt

由（2）、（3）两式可得：

CR

B?22U2 （4）

nS

上式中C2、R2、n和S均已知常数。所以由U2可确定B。

综上所述，将图（4）中的U1（UH）和U2（UB）分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的动态磁滞回；接上数字电压表则可以直接测出U（1UH）和U2（UB）的值，即可绘制出B—H曲线，通过计算可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Br、矫顽力HC、磁滞损耗（BH）以及磁导率μ等参数。

三、实验内容

6

1、 电路连接：选择样品2，按实验仪上所给的电路接线图连接好线路。开启仪器电源开关，调节励磁电压U=0，UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，

插孔“⊥”为接地公共端。

2、 样品退磁：开启仪器电源开关，对样品进行退磁，顺时针方向转动电压U的调节旋钮,观察数字电压表可看到U从0逐渐增加增至最大，然后逆时针方向转动电压U的调节旋钮,将U逐渐从最大值调为0，这样做目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B?H?0，如图（7）所示，

3、观察样品在50HZ交流信号下的磁滞回线：开启示波器电源，断开时基扫描，

调节示波器上“X”、“Y”位移旋钮,使光点位于坐标网格中心，调节励磁电压U和示波器的X和Y轴灵敏度，使显示屏上出现大小合适、美观的磁滞回线图形（若图形顶部出现编织状的小环，如图（8）所示，这时可降低U予以消除）。

4、观察基本磁化曲线，按步骤2对样品2进行退磁，从U=0开始，逐渐提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一蔟磁滞回线。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、测绘基本磁化曲线，并据此描绘??H曲线：接通实验仪的电源，对样品进行退磁后，依次测定 U = 0，0.2，0.4，0.6..3.0V时的若干组H和B值，作B-H曲线和??H曲线。

6、令U = 3.00V，观测动态磁滞回线：从已标定好的示波器上读取UX(UH)、UY(UB)值（峰值），计算相应的H和B，逐点描绘而成。再由磁滞回线测定样品2的BS，Br和HC等参数。

7、同法观察、样品1和样品3的磁化性能。

四、实验数据记录

（1）作B—H基本磁化曲线与??H曲线

选择不同的U值，分别记录UX 、UY并填入记录表一。因为本实验仪的输出

7

UY = UB，UX = UH，可先作出UY—UX曲线如图（9）。 据公式：

CR

B?22U2(其中U2?UB)

nSNNi1

H??U1(其中U1?UH)

LLR1

可分别计算出B和H，作出B—H基本磁化曲线与??H曲线。

8

Uy-Ux 图线

150

Uy(mV

)

100

500

图（9）

（2）动态磁滞回线的描绘

在示波器荧光屏上调出美观的磁滞回线，测出磁滞回线不同点所对应的格数，然后将数据填入下表：

在坐标纸上绘出动态磁滞回线（如下图）

0.020.060.10.140.180.220.260.310.4

Ux(V)

9

2.5

2

1.5

1

0.5

-0.5

-1

-1.5

-2

-2.5Y(格数)X(格数)从上图中可知：

Y最大值即U2（峰值），据此计算出磁性材料的饱和磁感应强度BS X=0时，据Y方向上的格数计算出对应的剩磁Br Y=0时，据X方向上的格数计算出U1（峰值）计算出矫顽力HC

①BS的计算：

由公式（4）得

CR2 BS?22U2=KU2=K?Y轴格数?灵敏度?2nS

②Br的计算：

C2R22 U2(此时U1?0)=KU2=K?Y轴格数?灵敏度?2nS

③HC的计算： Br?

由公式（1）得： NNi2?U1(此时U2?0)?K'?U1?K'?X轴格数?灵敏度? HC?1? LLR12

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CZY-1 磁滞回线实验仪

使用说明

一、 仪器特点

本实验仪是由自搭式电子线路、测试样品和电压数字显示三部分组成。也可借助示波器来观察、描绘铁磁材料的基本磁化曲线和动态磁滞回线，并由实验图线测量饱和磁感应强度BS、剩磁Br、矫顽力HC等参数。通过仪器配臵的数字电压表，可以迅速准确的获得磁场强度H、磁感应强度B的数值，便于描绘出动态磁化曲线。

二、主要技术参数

1、实验仪工作温度：±50℃， 工作湿度：≤85%PH

2、数字电压表准确度：0.2%（±1个字），输入阻抗：≥1000MΩ

3、仪器电源稳定度： ±0.2%

4、铁磁材料参数：

样品1：N=100匝，n=300匝，L=60mm，S=80mm2

样品2：N=50匝，n=150匝，L=80mm，S=110mm2

样品3：N=100匝，n=300匝，L=60mm，S=80mm2

5、电阻、电容值：（电阻误差为±0.5%）

R1=3.5Ω, R2=10KΩ, C=20μF

三、使用操作

1、按图连接好线，将Ux、UY分别接至示波器的X、Y输入端。

2、打开电源开关，可以看到仪器上三只数字电压表显示出电压。若没有显示则检查交流电源是否接通及电源保险丝是否熔断。

3、按要求对所测样品进行退磁操作。

4、按实验内容观察动态磁滞回线，并作B—H基本磁化曲线与??H曲线。

5、通过示波器观察动态磁滞回线，并在坐标纸上绘制出动态磁滞回线。

四、注意事项

1、实验前仪器需通电预热3-5分钟。

2、连接插线时不可将电源U短接，会导致电源烧毁。

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