實(shí)驗(yàn)三十四 鐵磁材料的磁滯回線的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)三十四 鐵磁材料的磁滯回線的測(cè)量鐵磁物質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的材料。如航天、通信、自動(dòng)化儀表及控制等都無(wú)不用到鐵磁材料(鐵、鈷、鎳、鋼以及含鐵氧化物的物質(zhì)均屬鐵磁物質(zhì))。因此，研究鐵磁材料的磁化性質(zhì)，不論在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上都有著重大意義。本實(shí)驗(yàn)利用示波器的顯示來(lái)測(cè)量磁性材料的磁滯回線。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 認(rèn)識(shí)鐵磁物質(zhì)的磁化規(guī)律，比較兩種典型的鐵磁物質(zhì)動(dòng)態(tài)磁化特性。 2. 測(cè)定樣品的基本磁化曲線，作-H曲線。 3. 計(jì)算樣品的Hc、Hr、Bm和（Hm·Bm ）等參數(shù)。 4. 測(cè)繪樣品的磁滯回線，估算其磁滯損耗。實(shí)驗(yàn)儀器DH4516型磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀、雙蹤示波器。BSHHSBS

2、BrRabDO-HD-HS圖5-34-1 鐵磁材料的起始磁化曲線和磁滯回線實(shí)驗(yàn)原理1. 鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，用途廣泛的材料。鐵、鈷、鎳及其眾多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特征是在外磁場(chǎng)作用下能被強(qiáng)烈磁化，故磁導(dǎo)率很高。另一特征是磁滯，即磁化場(chǎng)作用停止后，鐵磁質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)，圖5-34-1為鐵磁物質(zhì)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B與磁化場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。 圖5-34-1中的原點(diǎn)O表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=0，當(dāng)磁場(chǎng)H從零開(kāi)始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段oa所示，繼之B隨H迅速增長(zhǎng)，如線段ab所示，其后B的增長(zhǎng)又趨緩慢，并當(dāng)H增至Hs時(shí)

3、，B到達(dá)飽和值，oabs稱(chēng)為起始磁化曲線，圖5-34-1表明，當(dāng)磁場(chǎng)從Hs逐漸減小至零，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到“0”點(diǎn)，而是沿另一條新曲線SR下降，比較線段OS和SR可知，H減小B相應(yīng)也減小，但B的變化滯后于H的變化，這現(xiàn)象稱(chēng)為磁滯，磁滯的明顯特征是當(dāng)H=0時(shí)，B不為零，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場(chǎng)反向從0逐漸變至-HD時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B消失，說(shuō)明要消除剩磁，必須施加反向磁場(chǎng)，HD稱(chēng)為矯頑力，它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段RD稱(chēng)為退磁曲線。 圖5-34-1還表明，當(dāng)磁場(chǎng)按HS0HD-HS0HDHS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B則沿閉合曲線SRDSRDS變化，這條閉合曲線稱(chēng)為磁

4、滯回線，所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng)中時(shí)（如變壓器中的鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此過(guò)程中要消耗額外的能量，并以熱的形式從鐵磁材料中釋放，這種損耗稱(chēng)為磁滯損耗?？梢宰C明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。圖5-34-2 同一鐵磁材料的一簇磁滯回線OBH 應(yīng)該說(shuō)明，當(dāng)初始態(tài)為H=B=0的鐵磁材料，在交變磁場(chǎng)強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次進(jìn)行磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線，如圖5-34-2所示。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱(chēng)為鐵磁材料的基本磁化曲線，由此可近似確定其磁導(dǎo)率=B/H，因B與H的關(guān)系成非線性，故鐵磁材料的不是常數(shù)，而是隨H而變化（如圖5-34-3所示）。鐵磁材料

5、相對(duì)磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)，這一特點(diǎn)是它用途廣泛的主要原因之一。BHOB(H)BHO硬磁軟磁圖5-34-3 鐵磁材料與H的關(guān)系圖5-34-4 不同材料的磁滯回線可以說(shuō)磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類(lèi)和選用的主要依據(jù)，圖5-34-4為常見(jiàn)的兩種典型的磁滯回線。其中軟磁材料磁滯回線狹長(zhǎng)、矯頑力、剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、電機(jī)、和交流磁鐵的主要材料。而硬磁材料磁滯回線較寬，矯頑力大，剩磁強(qiáng)，可用來(lái)制造永磁體。2. 用示波器觀察和測(cè)量磁滯回線的實(shí)驗(yàn)原理和線路觀察和測(cè)量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖5-34-5所示。X樣品F20F10k斷0KAC220V3.5VK1U選擇R1GR2YUHU

6、BCN2150N1150圖5-34-5 實(shí)驗(yàn)原理線路待測(cè)樣品EI型矽鋼片，N1為勵(lì)磁繞組，N2為用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B而設(shè)置的繞組。R1為勵(lì)磁電流取樣電阻，設(shè)通過(guò)N1的交流勵(lì)磁電流為i，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場(chǎng)強(qiáng) L為樣品的平均磁路長(zhǎng)度，其中 所以有 (5-34-1)式中N1、L、R1均為已知常數(shù)，所以由UH可確定H。在交變磁場(chǎng)下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)值B是測(cè)量繞組和R2C電路給定的，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通的變化，在測(cè)量線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)的大小為 (5-34-2)S為樣品的截面積。如果忽略自感電動(dòng)勢(shì)和電路損耗，則回路方程為2=i2R2+UB式中i2為感生電流，UB為積

7、分電容C兩端電壓，設(shè)在t時(shí)間內(nèi)，i2向電容C充電電量為Q，則有：如果選取足夠大的R2和C使i2R2Q/C，則 2=i2R2 (5-34-3) 由式5-34-2、式5-34-3兩式可得 (5-34-4)上式中C、R2、N2和均S為已知常數(shù)。所以由UB可確定B。綜上所述，只要將圖5-34-5中的UH和UB分別加到示波器的“X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品的B-H曲線，并可用示波器測(cè)出UH和UB值，進(jìn)而根據(jù)公式計(jì)算出B和H；用同樣方法，還可求得飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS、剩磁Rr、矯頑力HD、磁滯損耗WBH以及磁導(dǎo)率等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 電路連接：選樣品1按實(shí)驗(yàn)儀上所給的電路圖連接線路，并令R1=2.5，

8、 “U選擇”置于0位。UH和UB分別接示波器的“X輸入”和“Y輸入”，插孔為公共端。 2. 樣品退磁：開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對(duì)試樣進(jìn)行退磁，即順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)“U選擇”旋鈕，令U從0增至3V。然后逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，將U從最大值降為0。其目的是消除剩磁。確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即B=H=0，如圖5-34-6所示BHBH 圖5-34-6 退磁示意圖 圖5-34-7 調(diào)節(jié)不當(dāng)引起的畸變現(xiàn)象 3. 觀察磁滯回線：開(kāi)啟示波器電源，令光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令U=2.2V，并分別調(diào)節(jié)示波器X和Y軸的靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)圖形大小合適的磁滯回線（若圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖5-34-7所示，這時(shí)可降低勵(lì)磁電壓U

9、予以消除）。 4. 觀察基本磁化曲線：按步驟2對(duì)樣品進(jìn)行退磁，從U=0開(kāi)始，逐檔提高勵(lì)磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大一個(gè)套一個(gè)的一簇磁滯回線。記錄下這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線就是樣品的基本磁化曲線。另外，如果借助長(zhǎng)余輝示波器，便可觀察到該曲線的軌跡。5. 調(diào)節(jié)U=3.0V，R1=2.5，測(cè)定樣品1的一組UB、UH值。并根據(jù)已知條件：L= 75mm，S=120mm2，N1=150匝，N2=150匝，C=20F，R2=10K，計(jì)算出相應(yīng)的B和H的值。6. 根據(jù)得到的B和H的值作BH曲線，根據(jù)曲線求得Bm，Br、和Hc等參數(shù)。并估算曲線的面積來(lái)求得WBH。7. 測(cè)繪H 曲線：依次測(cè)定U=0.5，1

10、.03.5V時(shí)的十組UB、UH 值，計(jì)算出相應(yīng)的Hm、Bm和值，作H曲線。8. 觀察、測(cè)量并比較樣品1和樣品2的磁化性能。預(yù)習(xí)思考題1. 什么是磁滯現(xiàn)象？2. 什么是磁化曲線？什么是磁滯回線？3. 什么是磁滯損耗？思考題1. 如果示波器能直接測(cè)量交流電壓值，R1、R2、C及其他常數(shù)皆為已知，則可以不進(jìn)行H和B的標(biāo)定，此時(shí)實(shí)驗(yàn)應(yīng)如何進(jìn)行？2. 全部完成BH曲線的測(cè)量以前，為什么不能變動(dòng)示波器面板上的X、Y軸分度值旋鈕。3. 變壓器鐵心用矽鋼片疊加制成，為什么要用磁性能好的軟磁材料制作？附 錄: 圖5-34-8 DH4516型磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明書(shū)磁性材料的應(yīng)用非常廣泛，從常用的永久磁鐵、變壓器

11、鐵芯到錄音、錄象、計(jì)算機(jī)存貯用的磁帶、磁盤(pán)等都采用磁性材料。磁滯回線和基本磁化曲線反映了磁性材料的主要特征。本儀器結(jié)合示波器可用于觀察鐵磁材料的基本磁化曲線和磁滯回線，并可計(jì)算出相應(yīng)的Hm、Bm和值，估算磁滯損耗的大小。儀器由勵(lì)磁電源、試樣、實(shí)驗(yàn)面板和其他器件組成。1. 勵(lì)磁電源由變壓器對(duì)220V、50Hz市電進(jìn)行隔離、降壓后，提供樣品的磁化電壓，共分11檔，即0、0.5、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0和3.5V，通過(guò)波段開(kāi)關(guān)可選擇不同的磁化電壓2. 樣品樣品1和樣品2均采用EI型鐵芯，其尺寸（平均磁路長(zhǎng)度L和截面積S）相同，但磁導(dǎo)率不同。兩者的勵(lì)磁繞組匝數(shù)N1和測(cè)量繞組的匝數(shù)也相等。數(shù)值分別為N1=15