铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验名称：软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的测量

铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类.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.磁化曲线和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.磁滞损耗P等参数均可以从磁滞回线和磁化曲线上获得.这些参数是铁磁材料研制、生产、应用是的重要依据.

铁磁材料磁化时，其磁感强度随磁场强度的变化非常复杂.有如下特点：

1．一块从未被磁化的软磁材料磁化时，当H由0开始逐渐增加至某最大值H_m，B也由0开始逐渐增加，由此画出的B-H曲线o-a称起始磁化曲线，如图1所示. 起始磁化曲线大致分为三个阶段，第一阶段曲线平缓，第二阶段曲线很陡，第三阶段曲线又变得平缓.最后B趋于不变，这种现象称为饱和.饱和时的磁感强度称为饱和磁感强度，记做B_s.

2．磁化过程中材料内部发生的过程是不可逆的，当磁场由饱和时的H_m减小至0，B并非沿原来的磁化曲线返回，而是滞后于H的变化.当H=0时，B=B_r，称为剩余磁感应强度.要想使B为0，就必须施加一反向磁场-H_c.H_c称为矫顽力. 继续加大反向磁场至-H_m，曲线到达a'，磁感应强度变为-B_s.磁场再由-H_m变至H_m，曲线又回到a，形成一条闭合曲线，叫磁滞回线.

3．如果初始磁化磁场由0开始增加至一小于H_m的值H₁，然后磁场在- H₁与H₁之间变化，也可以得到一条磁滞回线.但这条曲线不是饱和的.逐渐增加磁场至H₂，H₃，H₄，…(H₂<H₃<H₄…)，可以得到一系列磁滞回线.将这些磁滞回线的顶点连起来，就得到基本磁化曲线，如图2所示.

【实验目的】

1．了解有关铁磁性材料性质的知识；

2．了解用示波器动态测量软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的原理；

3．学习并体会物理实验方法中的转换测量法；

4．掌握用示波器动态测量软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的方法.

【实验器材】

(1) GY-4隔离变压器； (2) CZ-2磁滞回线装置；

(3) COS5020示波器.

【实验原理】

软磁材料的样品可做成闭合回路状（如图所示），在样品上绕N₁匝初级线圈和N₂匝次级线圈，初级线圈里通过电流i₁，在样品中产生磁场，其磁场强度为

（1）

式中l是初级线圈所绕样品的平均长度，R₁是与初级线圈串联的电阻，u_x是R₁两端的电压.

采用动态测量法，初级线圈里需通过交流电（由隔离变压器提供）.

样品被磁化后产生变化的磁通量，进而在次级线圈中产生感应电动势：

S是样品的截面积.次级线圈的电压正比于磁感强度B随时间的变化率，必须积分后才能得到B.积分可由RC电路来完成，电路中满足条件，忽略次级线圈的内阻后，可得：

（2）

u_y是电容器两端的电压.

由此可见u_x正比于H，u_y正比于B，将两信号分分别输入到双通道示波器的x端和y端，选择x-y方式，就可以在示波器上得到间接的磁滞回线.

定量测量时，记录每一步磁滞回线的定点坐标，由电压参数得到相应的电压值，再根据(1)、(2)计算对应的B、H值，从而可做出基本磁化曲线.在饱和磁滞回线上记录H_c、B_s、B_r的坐标，可算出相应的实验值.

【实验内容及步骤】

实验内容：

1．在坐标纸上做出基本磁化曲线和饱和磁滞回线.

2．给出H_c、B_s、B_r的实验结果.

步骤：

1．正确连接线路，调节示波器，观察磁滞回线的形状.

2．将隔离变压器电压调至80V左右，调整磁滞回线至理想的大小和形状，确定实验所需的两通道电压参数.

3．将电压缓慢调至零，实现对样品的退磁，并在示波器上调整坐标原点.

4．将磁场由0(电压为0)开始，逐步(电压每10V变化一步)增加至B达到饱和，记下每一步磁滞回线定点的坐标.

5．在饱和磁滞回线上记录H_c、B_s、B_r的坐标，测量时应在>0、<0两点进行测量，取平均值.

【数据记录】

表1 软磁材料基本磁化曲线绘制的测量数据

两通道电压参数： X_____________ Y_____________

表2 H_c、B_s、B_r的测量数据

注意事项：

1．测量前检查示波器两通道的垂直微调旋钮是否在校准位置.

2．确定软磁材料饱和时对应隔离变压器的电压，饱和时示波器上类磁滞回线的尖端连接处的两条曲线变得重合.

思考题：

1．如果测量前没有将材料退磁，会出现什么情况？

2．用磁路不闭合的样品进行测量会导致什么结果？

3．测量时磁场H是正弦变化的，磁感强度B是否按正弦规律变化？反之，若磁感强度B是正弦变化的，磁场H是否也按正弦规律变化？

附录：

磁滞回线装置参数

匝匝

第二篇：12铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验报告：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

一、实验题目：

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

二、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动态磁化特性。

2 测定样品的基本磁化曲线，作μ-H曲线。

3 计算样品的H_c、B_r、B_m和（H_m·B_m ）等参数。

4 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

三、实验原理：

1 铁磁材料的磁滞现象

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0表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=0，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0a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_m时，B到达饱和值，0abs称为起始磁化曲线，图1表明，当磁场从H_m逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“0”点，而是沿另一条新曲线SR下降，比较线段0S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=0时，B不为零，而保留剩磁Br。

图1铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线图2同一铁磁材料的一簇磁滞回线

当磁场反向从0逐渐变至-H_C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_C称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态能力，线段RD称为退磁曲线。

图1还表明，当磁场按H_m→0→H_C→-H_m→0→H_C→H_m次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS′R^′D^′S变化，这条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=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，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μ=B/H，因B与H的关系成非线性，故铁磁材料μ的不是常数，而是随H而变化（如图3所示）。铁磁材料相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛主要原因之一。

图3 铁磁材料与H的关系图4 不同材料的磁滞回线

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。而硬磁材料磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。

2 用示波器观察和测量磁滞回线的实验原理和线路

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EI型矽钢片，N₁为励磁绕组，N₂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N₁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为样品的平均磁路长度，其中，所以有

式中N₁、L、R₁的均为已知常数，所以由U_H可确定H。

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组和R₂C₂电路给定的，根据法拉第电磁感定律，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。

图五实验原理线路

如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为ε₂=i₂R₂+U_B

式中i₂为感生电流，U_B为积分电容C₂两端电压设在Δt时间内，i₂向电容的C₂充电电量为Q，则

如果选取足够大的R₂和C₂使i₂R₂＞＞Q/C₂，则ε₂=i₂R₂

由（2）、（3）两式可得

上式中C₂、R₂、N₂和均S为已知常数。所以由U_B可确定B。

综上所述，只要将图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，并可用示波器测出U_H和U_B值，进而根据公式计算出B和H；用该方法，还可求得饱和磁感应强度B_S、剩磁Br、矫顽力H_C、磁滞损耗W_BH以及磁导率μ等参数。

四、实验内容：

1 电路连接：选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路，并令R₁=2.5Ω， “U选择”置于0位。U_H和U_B分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔为公共端。

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3V。然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为0。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。若图形顶部出现编织状的小环，如图7所示，这时应该检查示波器的通道输入方式，其中X通道应该打到交流输入，Y通道应该打到直流输入，同时适当降低励磁电压U予以消除）。

图6 退磁示意图图7 调节不当引起的畸变现象

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。记录下这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线。另外，如果借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。

5 调节U=3.0V，R₁=0.5Ω，测定样品1的一组U_B、U_H值，并根据已知条件：L= 75mm，S=120mm²，N₁=150匝，N₂=150匝，C₂=20μF，R₂=10KΩ，计算出相应的B和H的值。

6 根据得到的B和H的值作B～H曲线，根据曲线求得B_m，B_r、和H_c等参数。并估算曲线的面积来求得W_BH。

7 测绘μ～H 曲线：依次测定U=0.5，1.0…3.5V时的十组U_B、U_H 值，计算出相应的H_m、B_m和μ值，作μ～H曲线。

8 改变R₁观测不同的磁化曲线。

9 观察、测量并比较样品1和样品2的磁化性能。

五、数据处理：

1 观察磁滞回线：(样品1 )