铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的测量

实验指导书

淮阴工学院物理实验中心

20xx年4月

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、计算机存贮用的磁带、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。通过实验研究这些性质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绘方法，而且能从理论和实际应用上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等概念；

2、学会用示波器观测磁滞回线；

3、测量不同磁性材料的磁滞回线。

【实验仪器】

动态磁滞回线实验仪、双踪示波器、FB310B智能型磁滞回线组合实验仪 动态磁滞回线实验仪的结构：

1、信号源

2、标准十进制电阻箱

3、标准十进制电阻箱

4、标准十进制电容箱

5、软磁样品

6、硬磁样品

【实验原理】

1、磁化曲线

如果在通电线圈产生的磁场中放入铁磁物质，则磁场将明显增强。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 磁滞回线测量仪器

对于铁磁物质而言，磁导率?并非常数，而是随H的变化而改变的物理量，即??f?H?，为非线性函数。

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

但当H增加到一定值?HB?H变化曲线如1所示。S?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段曲线所示。

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。从图2可知当磁化场撤消，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才等于0，达到退磁，Hc称为矫顽磁力。如图2所示，当H按O→Hs→O→?Hc→?Hs→O→HC→Hs的顺序变化时，B相应沿

O→Bs→Br→O→?Bs→?Br→O→Bs顺序变化。图中的oa段曲线称作起始磁化曲线，所形成的封闭曲线abcdefa称为磁滞回线。bc曲线段称为退磁曲线。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。

（2）若要使铁磁物质完全退磁，即B?0，必须加一个反方向磁场?Hc。

（3）B的变化始终落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。

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

（5）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，在磁场由弱到强地单调增加过程中，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。

（6）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，首先必须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场H?0，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，只需通一反向磁化电流，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，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减少磁化电流，直到等于零。则该材料的磁化过程中就会出现一连串面积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。

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”。

我们把图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。

在测量基本磁化曲线时，每个磁化状态都要经过充分的“磁锻炼”。否则，得到的B?H曲线即为开始介绍的起始磁化曲线，两者不可混淆。

3、示波器显示B?H曲线的原理线路

示波器测量B?H曲线的实验线路如图5所示。

本实验研究的铁磁物质是日字形铁芯试样（如图6所示）。在式样上绕有励磁线圈N

1匝

和

测量线圈N2匝。若在线圈N1中通过磁化电流I1时，此电流在试样内产生磁场，根据安培

N1?I1

L环路定律H?L?N1?I1 ，磁场强度的大小为：H? （1）

其中L为日字形铁芯试样的平均磁路长度。（在图6中用虚线表示）。 由图5可知示波器CH1(X)轴偏转板输入电压为：U

L?R1N1

X

?I1?R1 （2）

由式（1）和式（2）得： U

X

??H （3）

上式表明在交变磁场下，任一时刻电子束在X轴的偏转正比于磁场强度H。 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。取电容C两端电压UC至示波器CH2(Y)轴输入，若适当选择R2和C使R2>>

1

??C

，则：I2?

E2

1

?

E2R2

?2?1?2?2

???R2??

???C?????

式中，?为电源的角频率，E2为次级线圈的感应电动势。 因交变的磁场H在样品中产生交变的磁感应强度B，则：

E2?N2?

d?dt

?N2?S?

dBdt

(式中S?a?b 为铁芯试样的截面积，设铁芯的宽度为

a,厚度为b)则：

UY?UC?

QC?1C

?

I2dt?

1C?R2

?

t

E2dt?

N2?SC?R2

?

B

dB?

N2?SC?R2

?B （4）

上式表明接在示波器Y轴输入的电压UY正比于

B。R2?C电路在电子技术中称为积分电路，表示输

出的电压UC是感应电动势E2对时间的积分。为了如实地绘出磁滞回线，要求：（1）R2>>

12?f?C

。（2）在

满足上述条件下，UC振幅很小，不能直接绘出大小符合需要的磁滞回线。为此，需将UC经过示波器Y轴放

大器增幅后输至Y轴偏转板上。这就要求在实验磁场的频率范围内，放大器的放大系数必须稳定，不会带来较大的相位畸变。事实上示波器难以完全达到这个要求，因此在实验时经常会出现如图7所示的畸变。观测时将X轴输入选择“AC”，Y轴输入选择“DC”档，并选择合适的R1和R2的阻值可得到最佳磁滞回线图形，避免出现这种畸变。

【实验内容】

1、 按图8所示线路接线

图8 动态磁滞回线实验仪面板图（注：图中实线为样品1接线，虚线换接样品2）

1）逆时针调节幅度调节旋钮到底，使信号输出最小。

2）用专用接线接通样品1（或样品2）的初级与次级（注：接地端已在仪器内连接）。

2、将示波器调整到工作状态。

1）示波器光点调至显示屏中心；

2）调示波器显示工作方式为X?Y方式，即图示仪方式。

3）示波器X输入为AC方式，测量采样电阻R1的电压。

4）示波器Y输入为DC方式，测量积分电容的电压。

5）接通示波器和动态磁滞回线实验仪电源，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。

3、将动态磁滞回线实验仪的参数调整到参考值：R1=2.5?, R2= 10??, C=3?F。

4、调整动态磁滞回线实验仪的参数和示波器的灵敏度，使示波器上显示最佳的磁滞回线图形。

5、使用FB310B智能型磁滞回线组合实验仪，记录下完整的数据，根据记录的数据，在计算机上画出该样品的磁滞回线图，并标出相应的Hs、Bs、Br和Hc。

6、换接实验样品，重复上述步骤。

【数据处理】

表1 样品1

R1= ?, R2= ??, C= ?F, f= Hz

用计算机电子表格或其他绘图软件作磁滞回线图B?H（用图板加标注）

表2 样品2

R1= ?, R2= ??, C= ?F, f= Hz

用计算机电子表格或其他绘图软件作磁滞回线图B?H（用图板加标注）

Hs? ，Bs? ，Br? ，Hc?

【注意事项】

1. 实验前先熟悉实验的原理和仪器的构成；

2. 使用仪器前先将信号源输出幅度调节旋钮逆时针到底（多圈电位器），使输出信号为最小。然后调节频率调节旋钮，因为频率较低时，负载阻抗较小，在信号源输出相同电压下负载电流较大，会引起采样电阻发热；

【思考题】

1．什么是磁滞现象？

2．硬磁和软磁的磁滞回线有什么区别？

 

第二篇：大连理工大学磁滞回线实验讲义

43 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。

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。

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。

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。

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：

?2?

d?dB?N2S （3） dtdt3式中S为线圈N2的横截面积。回路中的电流为：

i2? （4）

式中ω为电源的角频率。若适当选择R2和C使 R 2 ?? ，则： 1

?C

i2?

电容C两端的电压为:

UC??2 （5） R2Q1NS??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0.1～11Ω；R2的调节范围为1～110kΩ。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。

4

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。

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

1 0

2 0.40

3 0.80

4 1.20

5

6 7 2.40

8 3.00

9 4.00

10 5.00

1.60 2.00

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： ??B ?0H

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

?i?lim

B H?0?H07

（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）。

8

序号 1 2 -4.00

3 4 5 6 7 -0.05

8 0.00

X/格 -5.00 Y1/格 Y2/格

-3.00 -2.00 -1.50 -1.00

序号 9 10 1.00

11 1.50

12 2.00

13 3.00

14 4.00

15 5.00

X/格 0.50 Y1/格 Y2/格