鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線

鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線實(shí)驗(yàn)講義鐵磁材料按特性分硬磁和軟磁兩大類，鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線，反映該材料的重要特性，也是設(shè)計(jì)選用材料的重要依據(jù)。一：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫J(rèn)識(shí)鐵磁材料的磁化規(guī)律，比較兩種典型鐵磁物質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁特性。測(cè)定樣品的基本磁化特性曲線(Bm-Hm曲線)，并作μ—H曲線。測(cè)繪樣品在給定條件下的磁滯回線，以及相關(guān)的Hc，Br，Bm，和[HB]等參數(shù)。二：實(shí)驗(yàn)原理：鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，在現(xiàn)代科技和國(guó)防上用途廣泛的材料。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，磁導(dǎo)率μ很高。另一特性是磁滯，即磁場(chǎng)作用停止后，鐵磁材料仍保留磁化狀態(tài)。圖一為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Β與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。B (Bm)BS srb c a H -HS -HC 0 HC HS (Hm)Rˊ-Br sˊ -Bm圖一鐵磁物質(zhì)的起始磁化曲線和磁滯回線圖中的原點(diǎn)。表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=O。當(dāng)外磁場(chǎng)H從零開始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段落0a所示；繼之B隨H迅速增長(zhǎng)，如ab段所示；其后，B的增長(zhǎng)又趨緩慢；當(dāng)H值增至Hs時(shí)，B的值達(dá)到Bs，在S點(diǎn)的Bs和Hs，通常又稱本次磁滯回線的Bm和Hm。曲線oabs段稱為起始磁化曲線。當(dāng)磁場(chǎng)從Hs逐漸減少至零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到o點(diǎn)，而是沿一條新的曲線sr下降，比較線段os和sr，我們看到：H減小，B也相應(yīng)減小，但B的變化滯后于H的變化，這個(gè)現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征就是當(dāng)H=0時(shí)，B不為0，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場(chǎng)反向從o逐漸變?yōu)?Hc時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=O，這就說明要想消除剩磁，必須施加反向磁場(chǎng)，Hc稱為矯頑力。它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段rc稱為退磁曲線。圖一還表明，當(dāng)外磁場(chǎng)按Hs→0→-Hc→-Hs→0→Hc→Hs次序變化時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則按閉合曲線srcs’r’c’s變化時(shí)，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng)中時(shí)（如變壓器鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁疇的存在，此過程要消耗能量，以熱的形式從鐵磁材料中釋出。這種損耗稱為磁滯損耗，可以證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。當(dāng)初始態(tài)為H=B=O的鐵磁材料，在峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度H由弱到強(qiáng)的交變磁場(chǎng)作用下磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一組磁滯回線，如圖二所示。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱為該鐵磁材料的基本磁化曲線。由此，可近似確定其磁導(dǎo)率μ＝B/H因B與H是非線性關(guān)系，所以鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，而是隨H而變化，如圖三所示。鐵磁材料的磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千至數(shù)萬，這一特點(diǎn)使它廣泛地用于各個(gè)方面。 μ-H圖二同一鐵磁材料的一組磁滯回線圖三鐵磁材料基本磁化曲線和μ--H關(guān)系曲線磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類的主要依據(jù)，圖四為常見的幾種典型的磁滯回線。其中，磁滯回線寬者，為硬磁材料，適用制造永磁體，其矯頑力大。剩磁強(qiáng)，如釹鐵硼合金。磁滯回線細(xì)而窄者，為軟磁材料，矯頑力，剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、電機(jī)和交流電磁鐵的主要材料。磁滯回線如矩形者，矯頑力小，剩磁大，B適于做記憶材料。如磁環(huán)、磁膜，廣泛地應(yīng)用于高科 矩技行業(yè)。 軟硬 H 圖四不同鐵磁材料的磁滯回線觀察和測(cè)量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。表二磁滯回線測(cè)試條件：U=R1=測(cè)試樣品號(hào)： 儀器編號(hào)：所用倍數(shù)代碼：倍數(shù)及單位：H：B：Hc=Br=Bm=[HB]=NoHBNoHBNoHB附錄磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀分為兩部分，實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀，我們分兩部分作介紹。實(shí)驗(yàn)儀、配合示波器，可以觀察鐵磁材料的磁滯回線和測(cè)定基本磁化曲線。它由勵(lì)磁電源，試樣，電路板及實(shí)驗(yàn)接線，接線圖等部分組成。勵(lì)磁電源由220V、50H市電，經(jīng)變壓器隔離，降壓后，供磁化試樣。勵(lì)磁電源輸出電壓共分11檔，即：0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V通過電路板上的波段開關(guān)“U選擇”實(shí)現(xiàn)切換。試樣試樣有兩個(gè)，樣品1和樣品2，它們的平均磁路長(zhǎng)度L橫截面積S相同而磁特性不同，兩者的磁勵(lì)繞組匝數(shù)N和測(cè)試?yán)@組匝數(shù)n也相同，均制作為E型鐵心型式。N=50n=150L=60mmS=80mm2電路板該印刷電路板上裝有電源開關(guān)，樣品1和樣品2，勵(lì)磁電壓選擇（U選擇），和調(diào)節(jié)磁電流兼作H測(cè)量的取樣電阻的R1選擇開關(guān)。還有測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B所用的積分電路元件R2、C2。以上各元件（除電源開關(guān)）通過電路板與對(duì)應(yīng)的連接用鎖緊插孔相連接，只須采用專用插線，即可實(shí)現(xiàn)電路連接。電路板上還設(shè)有正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的電壓VB和正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的電壓VH輸出插孔，用于連接示波器，觀察磁滯回線及連接測(cè)試儀作定量測(cè)試用。實(shí)驗(yàn)接線示意圖試樣二、測(cè)試儀測(cè)試儀和實(shí)驗(yàn)儀配合使用，能定量，快速測(cè)量鐵磁材料，在反復(fù)磁化過程中的B和H的瞬時(shí)值，并能測(cè)出剩磁Br，矯頑力HC，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm，計(jì)算出磁滯損耗[HB]等各種相關(guān)參數(shù)。測(cè)試儀面板圖：2．測(cè)試儀使用參數(shù)L、測(cè)試樣品平均磁路長(zhǎng)度已內(nèi)置L=60cm可修改S、待測(cè)樣品橫截面積已內(nèi)置S=80mm2可修改N、待測(cè)樣品勵(lì)磁繞組匝數(shù)已內(nèi)置N=50可修改 n、待測(cè)樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度B測(cè)量繞組匝數(shù)已內(nèi)置n=150可修改R1、勵(lì)磁電流選擇及磁場(chǎng)強(qiáng)度H測(cè)量取樣電阻可在0.5-5Ω間任選R2、積分電阻阻值10KΩ固定C2、積分電容20μf固定UH、正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的有效值電壓供調(diào)試用電壓范圍（0~1V）UB、正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的有效值電壓供調(diào)試用0~1V。3．瞬時(shí)值B與H的計(jì)數(shù)算公式。H=(N/LR1)U1B=（R2C2/nS）U24．測(cè)試儀按鍵功能說明：共有按鍵五個(gè)，⑴功能鍵：用于選擇不同功能共有15種，每按一次，切換一種，在數(shù)碼顯示窗上，顯示選定功能代碼。⑵確認(rèn)鍵：當(dāng)選定某功能后，按下此鍵，測(cè)試儀便執(zhí)行選定功能。⑶數(shù)位鍵：用于選定要輸入的數(shù)字的位置，用閃動(dòng)的小數(shù)點(diǎn)代表，每按一次由左向右，循環(huán)移動(dòng)⑷數(shù)據(jù)鍵：用于在選定的位置上輸入數(shù)字，每按動(dòng)一次，數(shù)字由0－9循環(huán)選擇。⑸復(fù)位鍵：開機(jī)后，顯示器會(huì)依次巡回顯示，P和8，表示測(cè)試儀處于待命狀態(tài)，在做功能切換或測(cè)試儀工作不正常時(shí)，應(yīng)按此鍵，使測(cè)試儀回到待命狀態(tài)。5．測(cè)試儀功能介紹：⑴顯示所測(cè)樣品的N和L值，不使用確認(rèn)鍵。HΠ.0050BL.0600千匝百匝十匝個(gè)匝百十個(gè)分毫米這里顯示Ｎ＝５０Ｌ＝４０ｍｍ⑵顯示所測(cè)樣品的ｎ和Ｓ值，不用確認(rèn)Hn.□15□BS.0800千百十個(gè)匝百十個(gè)分毫米２⑶顯示Ｒ１值和Ｂ與Ｈ值的倍數(shù)代碼，不用確認(rèn)H┌1.250BS.3b.310.10.01H與B的倍數(shù)代號(hào) 1×101 1×10-1 2×102 2×100Ｈ倍數(shù)3×103Ｂ的倍數(shù) 3×101 4×104 4×102 5×105 5×103⑷顯示電阻Ｒ２和Ｃ２數(shù)值不用確認(rèn)H┌2.100B[2.200⑸顯示ＵＨ和ＵＢ的測(cè)量值在按確認(rèn)鍵后HUhC.BUbC.H0.9532B0.1202顯示ＵＢ和ＵＨ的有效值⑹顯示每周期采樣的總點(diǎn)數(shù)和測(cè)試信號(hào)頻率，使用確認(rèn)鍵，HΠ.BF.使用確認(rèn)鍵后HΠ.308BF.49.9顯示對(duì)磁滯回線采樣308點(diǎn)，測(cè)量信號(hào)頻率49.9HZ⑺數(shù)據(jù)采樣，即進(jìn)行測(cè)量使用確認(rèn)鍵。HH.b.測(cè)試儀將對(duì)一條磁滯回線，按功能6指定的點(diǎn)自動(dòng)采樣，測(cè)試，按確認(rèn)鍵后窗口顯H，。，。。B。、。。。持續(xù)一段時(shí)間，然后，窗口全暗，最后顯示：HH.b.BCood.表示樣測(cè)試成功。如果測(cè)試儀顯示Bbad.表示系統(tǒng)有故障，應(yīng)查明原因后再使用。⑻顯示磁滯回線上各樣點(diǎn)的B和H的瞬時(shí)值。HH.SH□Bb.SH□每按兩次確認(rèn)鍵，顯示指定點(diǎn)的B和H瞬時(shí)值，其中，第一次按鍵，顯示點(diǎn)序號(hào)。（右邊窗口）HΠ□.B2第二次按確認(rèn)鍵顯示該點(diǎn)的B和H值H0.004B–0.0053顯示格式如上，其中第一位是符號(hào)位。以4、1、2、3象限為序。全部數(shù)據(jù)讀完后顯示⑼顯示本次磁滯回線的矯頑力Hc和剩磁Br使用確認(rèn)鍵之后，窗口顯示。HH.0.028Bb.0.070⑽顯示樣品的本次磁滯回線的磁滯損耗，按功能鍵HA.=B┌H.b.┘ 按