Hlu大学

反转曲线

实验目的

1.了解铁磁物质的磁化规律，比较两种典型铁磁物质的动态磁化特性。

2.确定样品的基本磁化曲线，做出H曲线。

3.Hc、Br、Bm和(Hm？Bm)等参数。

4.绘制样品的磁滞回线。

实验原理

1.初始磁化曲线和磁滞回线

铁磁物质是一种具有特殊性能和广泛用途的材料。铁、钴、镍及其合金，以及含铁的氧化物(铁氧体)都是铁磁性物质。它的特点是在外磁场的作用下磁化强度很强，所以磁导率很高。另一个特征是磁滞现象，即铁磁材料在磁化场停止后仍保持其磁化状态。图2-1显示了铁磁材料的磁感应强度b与磁化场强h之间的关系。

图2-1铁磁材料的初始磁化曲线和磁滞回线图2-2相同铁磁材料的一组磁滞回线

图中原点O表示铁磁物质在磁化前处于磁中性状态，即B=H=0。当磁场H从零开始增大时，磁感应强度B缓慢上升，如线段Oa所示，随后B随H快速增长，如ab所示，然后B的增长变慢。当H增加到Hm时，B达到饱和值Bm，Oabs称为初始磁化曲线。图2-1表明，当磁场从Hm逐渐减小到零时，磁感应强度B并没有沿着初始磁化曲线回到“O”点，而是沿着另一条新的曲线SR减小，比较线段OS和SR可以看出，H的减小量也相应减小，但B的变化滞后于H的变化，这就是所谓的磁滞现象。滞后的明显特征是当H=0时，B不为零，而是保持不变。

当磁场反向从0到-Hc逐渐变化时，磁感应强度B消失，说明必须施加反向磁场才能消除剩磁。HC称为矫顽力，其大小反映了铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。

图2-1还表明，当磁场按hm → 0 →-HC →-hm → 0 → HC → hm的顺序变化时，对应的磁感应强度B沿闭合曲线SRDS'R'D'S变化，称为磁滞回线。因此，铁磁材料在交变磁场中(如变压器中的铁芯)，会沿着磁滞回线反复磁化→退磁→反磁化→反退磁。在这个过程中，额外的能量被消耗掉，并以热的形式从铁磁材料中释放出来，这就是所谓的磁滞损耗。可以证明磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。

2.基本磁化曲线

需要说明的是，当初始状态为H=B=0的铁磁材料在交变磁场强度下由弱变强磁化时，可以得到一簇面积由小变大向外扩展的磁滞回线。如图2-2所示，顶点A1，A2，A3，...这些磁滞回线是铁磁材料的基本磁化曲线，从这些曲线可以近似地确定磁导率。因为B和H是非线性的铁磁材料。铁磁材料的相对磁导率可以高达几千甚至上万，这也是其被广泛使用的主要原因之一。

图2-3铁磁材料μ和H的关系曲线图2-4不同铁磁材料的磁滞回线

可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁性材料分类和选择的主要依据。图2-4所示为两种常见的典型磁滞回线，其中软磁材料因其磁滞回线狭长、矫顽力小、剩磁和磁滞损耗小而成为制造变压器、电机和交流磁体的主要材料。而硬磁材料磁滞回线宽，矫顽力大，剩磁强，可用于制造永磁体。

3.用示波器观察磁滞回线的原理。

图2-5原理电路图

用示波器观察磁滞回线的原理电路如图2-5所示。

待测样品为EI型硅钢片，其上均匀缠绕有磁化线圈N和辅助线圈N。交流电压u加在磁化线圈上，采样电阻R1串联在线路上。将R1两端的电压UH加到示波器的X输入端(DC4322B示波器的通道I)。次级绕组n与电阻器R2和电容器C串联以形成回路。电容C两端的电压UB施加于示波器的Y输入端(DC4322B示波器的通道II)。让我们解释一下为什么这样的电路可以显示和测量磁滞回线。

(1) uh (x输入)与磁场强度h成正比。

设矩形样品的平均周长为L，磁化线圈的匝数为N，磁化电流为i1(注意这是交流电流的瞬时值)。根据安培环路定律，有Hl=Ni1，即I1 = HL/N .和UH=R1i1，所以可用。

(2-1)

其中R1，l，n为常数，可以看出UH与h成正比，说明示波器屏幕上电子束的水平偏转与样品中的磁场强度成正比。

⑵ UB(Y输入)在一定条件下与磁感应强度B成正比。

设样品截面积为s，根据电磁感应定律，n匝次级线圈中感应电动势应为

(2-2)

如果次级电路中的电流为i2，电容C上的电荷为Q，则应该有

(2-3)

在上面的公式中，已经考虑到次级绕组的匝数n较小，因此可以忽略自感电动势。当选择线路参数时，有意选择足够大的R2和C，使得电容器C上的电压降UB=q/C与电阻器上的电压降R2i2相比可以忽略不计。那么等式(2-3)可以近似地改写为

(2-4)

将该关系代入方程(2-4)

(2-5)

将上述公式与公式(2-2)对比，不考虑其负号(在交流电中，负号相当于π的相位差)，应该是。

方程两边对时间积分时，因为B和UB是交替的，所以积分常数为0。完成后

(2-6)

至此可以看出，示波器的光斑在磁化电流变化的一个周期内描绘了一个完整的磁滞回线。此后每个周期都重复这个过程，在示波器屏幕上产生稳定的磁滞回线图案。

如果在测试仪的信号输入端加上UH和UB，就可以测得样品的饱和磁感应强度Bm、剩磁Br、矫顽力HC、磁滞损耗(BH)和磁导率。

图2-6实际测量中的电路原理图

实际测量的电路原理图如图2-6所示。为了使R1上的压降UH与电流i1的瞬时值成正比，R1必须是一个没有电感或电感极小的电阻。其次，为了运行安全和调整方便，线路中采用隔离降压变压器B，避免后续电路元件与220 V市电直接连接。调压变压器用于调节输入电压u来控制磁化电流i1。

实验室仪器

MHC磁滞回线测试仪，磁滞回线测试仪和示波器。

实验内容和步骤

1.电路连接:根据图2-9给出的电路图，选择样本1连接电路，设置r 1 = 2.5ω，“U选择”为0。UH和UB(即U1和U2)分别接示波器的x输入和y输入，“杰克·⊥”为公* * *端。

2.样品退磁:接通测试仪电源，对样品进行退磁，即顺时针旋转“U Select”旋钮使U从0增加到3V，然后逆时针旋转旋钮使U从最大值减少到0，目的是消除剩磁，保证样品处于磁中性状态，即B=H=0，如图2-7所示。

3.观察磁滞回线:打开示波器电源，使光点在坐标网格的中心，使U=1.5V，分别调整示波器X轴和Y轴的灵敏度，使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线(如果图形顶部出现一个小的编织环，如图2-8所示，则可降低激励电压U消除)。

图2-7退磁示意图图2-8 uh和b的相位差等因素引起的失真。

4.观察基本磁化曲线，按照步骤2对样品进行退磁，从U=0开始逐步增加励磁电压，显示屏上会得到一簇磁滞回线。这些磁滞回线顶点的连线是样品的基本磁化曲线。

5.观察并比较样品1和样品2的磁化特性；确定两个样品的软磁性和硬磁性。(U=1.5 V或U=2.0 V，r1 = 2.5ω)

6.绘制H曲线:仔细阅读测试仪的说明(参见参考资料)并连接测试仪和测试仪之间的连接。打开电源，给样品去磁，在U=0.5，1.0时，测定10组Hm和Bm值...依次3.0V，做H曲线。

7.使U=1.5V，r 1 = 2.5ω，确定样品1的Bm、Br、Hc、[BH]等参数。

8.取步骤7中的H及其对应的B值，用绘图纸画一条B-H曲线(数字怎么取？取几组数据？自行考虑)，并估算曲线周围的面积。

数据处理

表2-1基本磁化曲线和H曲线

U(V) Hm×103 A/m Bm×10特斯拉=B/H亨利/m。

0.5

1.0

1.2

1.5

1.8

2.0

2.2

2.5

2.8

3.0

表2-2 B-H曲线U=1.5 V，r 1 = 2.5ω，Hc= Br= Hm= Bm= [BH]=

编号H×103A/m B×10T编号H×103A/m B×10/m编号H×103A/m B×10A/m

思考问题

1.铁磁性物质有什么特点？

2.什么是硬磁材料和软磁材料？

3.如何确定磁导率？如何判断铁磁材料磁滞损耗的大小？

4.如何给实验中的材料消磁，使其处于磁中性状态？