铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

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。铁磁材料的性能需通过相关曲线及有关参数进行了解，以便根据不同的需要合理地选取铁磁材料。本实验主要学习铁磁材料有关曲线的描绘方法及材料参数的测量方法。

一、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、测定样品的基本磁化曲线，作μ—H曲线。

3、测定样品的H_c、B_r、H_m、B_m和（H·B）等参数。

4、测绘样品的磁滞回线，估算磁损耗。

二、实验原理

铁磁材料在外磁化场作用下可被强烈磁化，故磁导率μ很高。另一特征是磁滞，就是磁化场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态。用图形表示铁磁物质磁滞现象的曲线称为磁滞回线，它可以通过实验测得，如图3.3-1所示。

图3.3-1 铁磁材料磁滞回线图

当磁化场H逐渐增加时，磁感应强度B将沿OM增加，M点对应坐标为（H_m、B_m），即当H增大到H_m时、B达到饱和值B_m。OM称为起始磁化曲线，如果将磁化场H减小，B并不沿原来的曲线原路返回，而是沿MR曲线下降，即使磁化场H减小到零时，B仍保留一定的数值Br，OR表示磁化场为零时的磁感应强度，称为剩余磁感应强度（Br）。当反向磁化场达到某一数值时，磁感应强度才降到零。强制磁感应强度B降为零的外加磁化场的大小H_c，称为矫顽力。当反向继续增加磁化场，反向磁感应强度很快达到饱和 (－H_m、－B_m)点，再逐渐减小反向磁化场时，磁感应强度又逐渐增大。图3.3-1还表明，当磁化场按H_m→O→H_c→-H_m→O→→H_m次序变化时，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线MRCM变化，这闭合曲线称为磁滞回线。由于铁磁物质处在周期性交变磁场中，铁磁物质周期性地被磁化，相应的磁滞回线称为交流磁滞回线，它最能反映在交变磁场作用下样品内部的磁状态变化过程，磁滞回线所包围的面积表示在铁磁物质通过一磁化循环中所消耗的能量，叫做磁滞损耗，在交流电器中应尽量减小磁滞损耗。从铁磁物质的性质和使用方面来说，它主要按矫顽力的大小分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料矫顽力小，磁滞回线狭长，它所包围的“面积”小，在交变磁场中磁滞损耗小，因此适用于电子设备中的各种电感元件、变压器、镇流器中的铁芯等。硬磁材料的特点是矫顽力大，剩磁Br也大，这种材料的磁滞回线“肥胖”，磁滞特性非常显著，制成永久磁铁用于各种电表、扬声器中等，软磁与硬磁材料的磁滞回线如图3.3-2所示。

应该说明，当初始状态为H=B=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依

（a）软磁材料磁滞回线（b）硬磁材料的磁滞回线
图3.3-2软、硬铁磁材料磁滞回线比较

次进行磁化时，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图3.3-3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=，因为B与H非线性，故铁磁材料的μ不是常数而要随磁化场H而变化，如图3.3-4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。

图3.3-3 同一铁磁材料的一簇磁滞回线图3.3-4 铁磁材料μ与H关系曲线

观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图3.3-5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

图3.3-5实验线路图

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

L为样品的平均磁路长度

又因为 i₁=

所以（3.3-1）

（3.3-1）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可由测量绕阻n和R₂C电路求出，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应电动势的大小为

φ=

B= （3.3-2）

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i₂为次级线圈中的电流，U₂为积分电容C两端电压，设在△t时间内i₂向电容C的充电量为Q，则

U₂=

则

如果选取足够大的R₂和C，使i₂R₂>>，则近似有

又因为i₂=

所以（3.3-3）

由（3.3-2）、（3.3-3）两式可得

上式中C、R₂、n、S均为已知常数，所以由U₂可确定B。

综上所述，将图3.3-5中的U₁和U₂分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”端便可观察到样品的B—H曲线，如将U₁和U₂加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度B_m、剩磁B_r、矫顽力H_c、磁滞损耗[BH]以及磁导率μ等参数。

三、实验仪器

TH—MHC型智能磁滞回线测试仪（包括实验仪、测试仪）。双踪示波器。

四、实验内容及要求

1、连接电路：选择样品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位置。U_H和U_B（即U₁和U₂）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增到3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为0V，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B=H=0。

3、观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标原点（0，0），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，这是因为U₂和B的相位差等因素引起的畸变，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、观察和比较样品1和样品2的磁化性能。

6、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、1.2…3.0V时十组H_m和B_m值，作μ—H曲线。

7、令U=3.0V，R₁=2.5Ω，测定样品的B_m，B_r，H_C和[BH]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。

五、思考题：

1、如何利用测试仪比较样品1和样品2的磁化性能？

2、将U₁接至示波器的X输入端，将U₂接至示波器的Y输入端，为什么能用电学量U来测量H和B？

3、用本实验装置，如何测量交流基本磁化曲线？

4、磁滞回线包围面积的大小有何意义？

5、分别说明H_m、B_m、H_c、B_r的物理意义。

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 )