铁磁材料的磁性研究

铁磁材料的磁性研究【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HD、Br、BS和（Hm·Bm）等参数。4.测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。【实验原理】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为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝O，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oa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HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS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＝O时，B不为零，而保留剩磁Br。当磁场反向从O逐渐变至－HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。图1还表明，当磁场按HS→O→HD→-HS→O→HD´→HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SSRDSDR变化，这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＝O的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，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HBμ，因B与H非线性，故铁磁材料的μ不是常数而是随H而变化（如图3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。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，其中软磁材料的磁滞回线狭长、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。而硬磁材料的磁滞回线较宽。矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。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为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为i，根据安培环路定律，样品的磁化场强LiNH1L为样品的平均磁路∵11RUiH11ULRNH（1）(1)式中的N1、L、1R均为已知常数，所以由HU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n和CR2电路给定的，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生电动势的大小为图2同一铁磁材料的一簇磁滞回线图1铁磁质起始磁化曲线和磁滞回线图3铁磁材料µ与H并系曲(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BURiε222式中2i为感生电流，UB为积分电容C两端电压,设在Δt时间内，i2向电容2C的充电电量为Q，则CQUBCQRiε222如果选取足够大的R2和C，使i2R2Q/C，则222Ri∵dtdUCdtdQiB22dtdURCεB222(3)由（2）、（3）两式可得B22USNCRB（4）上式中C、R2、n和S均为已知常数。所以由UB可确定B0综上所述，将图5中的UH和UB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；如将UH和UB加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗〔WBH〕以及磁导率µ等参数。【实验内容】1．用示波器观察两种试样的磁滞回线。首先对试样进行退磁，方法是将励磁电压从0V增加到3V，然后再逐步增加到0V。比较软硬磁材料的特性。2．测量试样的磁性参数（1）测绘μ~H曲线和基本磁化曲线首先对试样退磁，励磁电压分别取0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0V，测量相应的Hm和Bm。计算μ-H曲线和基本磁化曲线。（2）测定试样的Bm、Br、Hc、[B*H]参数dtdn2dtn21dtnSSB21试样退磁后，令励磁电压为3V。取样电阻R1为2.5Ώ。记录内容2中的H和B值，用坐标值绘制曲线，并求出Bm、Br、Hc和磁滞损耗[B*H]。并估算曲线面积。【实验仪器】实验仪，KH-MHC型智能磁滞回线测试仪，示波器。【实验数据】（1）测绘μ~H曲线和基本磁化曲线励磁电压（V)Hm（A/m)Bm(mT)μ0.5000.0610.0580.950821.0000.0840.1001.1904761.2000.0980.1231.2551021.5000.1220.1561.2786891.8000.1620.1981.2222222.0000.2070.2331.1256042.2000.2480.2531.0201612.5000.2910.2740.9415812.8000.3660.3000.8196723.0000.4190.3150.751790.0000.5001.0001.5000.0000.1000.2000.3000.4000.500铁磁材料μ和H关系曲线Bm(mT)μ（2）测定试样的Bm、Br、Hc、[B*H]参数取样电阻R1为2.5Ώ，励磁电压3V。Bm=0.315mT;Br=0.183mT;Hc=0.0911A/m;HB=0.0987J/m3如图所示曲线所围成的面积为：10个小长方格的面积。=10*H*B=0.1J/m3序号H(A/m)B(mT)10.004-0.17820.009-0.17430.014-0.16940.020-0.16350.024-0.15860.046-0.13070.061-0.09880.074-0.06590.0920.000100.0940.007110.0960.015120.1170.085130.1190.093140.1220.101150.1250.108160.1280.116170.1400.151180.1520.168190.1600.182200.1710.197210.2100.237220.2290.250230.3980.311240.4120.313250.4070.312260.4020.311270.3460.303280.1630.263290.1540.261-0.400-0.300-0.200-0.1000.0000.1000.2000.3000.400-0.600-0.400-0.2000.0000.2000.4000.600B(mT)