实验C_磁化曲线和磁滞回线测量--大字--讲稿

1实验C磁化曲线和磁滞回线测量磁性材料应用广泛，扬声器永久磁铁、变压器铁芯、计算机磁盘等都采用磁性材料。铁磁材料分为硬磁和软磁两大类。硬磁材料的剩磁Br和矫顽力Hc大（1022104A/m），可做永久磁铁。软磁材料的剩磁Br和矫顽力Hc小（102A/m以下），容易磁化和去磁，广泛用于电机和仪表制造业。磁化曲线和磁滞回线是磁材料的重要特性，是变压器等设备设计的重要依据。磁滞回线测量可分静态法和动态法。静态法是用直流来磁化材料，得到的B—H曲线称为静态磁滞回线。动态法是用交变来磁化材料，得到的B—H曲线称为动态磁滞回线。静态磁滞回线只与磁化磁场的大小有关，磁样品中只有磁滞损耗；而动态磁滞回线不仅与磁化磁场的大小有关，还与磁化场的频率有关，磁样品中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗。因此，同一磁材料在相同大小磁化场下，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大。本实验采用动态法测量软磁样品的动态磁滞回线和磁化曲线，测量曲线可连续或逐点显示在LCD（液晶）屏上，直观、简便、物理过程清晰。【实验目的】1.了解磁滞回线和磁化曲线概念，加深对磁材料矫顽力、剩磁等参数的理解。2.掌握磁材料磁化曲线和磁滞回线的测量方法，确定Bs、Br和Hc等参数。3.探讨励磁电流频率对动态磁滞回线的影响。【预备问题】1.为什么测磁化曲线先要退磁？2.为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼？3.为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大？补充资料：P2页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，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H＝0时，B＝0；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。退磁方法，从理论上分析，要消除剩磁Bｒ，只要通一反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行了，实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因此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饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零。那2么该材料磁化过程是一连串逐渐缩小而最终趋向原点的环状曲线，如图1所示，当H减小到零时，B亦同时降到零，达到完全退磁。可见，在进行测量时，一般要先退磁，再进行“磁锻炼”，然后进行正式测量。P2页为了稳定闭合的磁滞回线，磁材料的每个磁化状态都要反复磁化，这种反复磁化的过程称为磁锻炼。由于动态法测量磁化曲线采用交变电流，每个磁化状态都经过充分反复磁化的过程的磁锻炼，才可得到稳定闭合的磁滞回线。P1页静态的磁滞回线所包围的面积大小与磁滞损耗成正比，而实验中用交流磁化所得的回线包围的面积，不仅包括磁滞损耗，而且还包括涡流损耗，因此，动态的回线一般比静态的要大一些。【实验仪器】FC10-II型智能磁滞回线实验仪。【实验原理】1.铁磁材料的磁化规律(1)初始磁化曲线在强度为H的磁场中放入铁磁物质，则铁磁物质被磁化，其磁感应强度B与H的关系为：B=H，为磁导率。对于铁磁物质，μ不是常数，而是H的函数。如图1所示，当铁磁材料从H=0开始磁化时，B随H逐步增大，当H增加到Hs时，B趋于饱和值Bs，Hs称为饱和磁场强度。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线OS，称为初始磁化曲线。(2)磁滞回线如图2所示，当磁材料达到饱和磁化Bs后，如果将H减小，B也减小，但沿与OS不同的路径ab返回。当H=0时，B=Br，到达b点，Br称为剩磁。欲使B=0，必须加反向磁场，当H=-Hc，B=0（完全退磁），到达c点，bc段曲线称为退磁曲线，Hc称为矫顽力。如果反向磁场继续增大，磁性材料将反向磁化。当H=-HS时，磁化达到反向饱和，B=-Bs，到达d点。此后若减小反向磁场使图1初始磁化曲线图2磁滞回线3H=0，则B=-Br，到达e点；当H=Hc时，B=0，到达f点；再次当H=Hs时，B=Bs，回到正向饱和状态a点。经历这样一个循环后形成的闭合曲线abcdefa称为磁滞回线。HS、BS、Br、Hc是磁滞回线的特征参数。剩磁Ｂr反映介质记忆能力的大小，矫顽力Hc反映铁磁材料是硬磁还是软磁。磁性材料的磁化特性不仅与材料自身的性质有关，还与材料形状、磁化场频率及波形有关。由于磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在实验过程中磁化电流只允许单调地增加或减少，不能时增时减。当从初始状态H=0、B=0开始周期性地改变H的大小和方向时，可以得到面积由大到小的磁滞回线簇，如图3所示。图3的原点0和各磁滞回线的顶点a1,a2,a3,…，a所连成的曲线,就是初始磁化曲线。在测定初始磁化曲线时，首先必须将磁材料充分退磁，以保证每次都是从原始状态（H=0，B=0）开始。退磁方法为：先用大磁化电流让铁磁材料饱和磁化，然后缓慢减小交变电流，利用逐渐衰减的交变电流对磁材料反复磁化，最后将电流调为零，重复2~3次即可完全退磁。退磁回线是一串面积逐渐缩小而最终趋于原点0的环状曲线，如图4所示。为了得到稳定闭合的磁滞回线，磁材料的每个磁化状态都要反复磁化，这种反复磁化的过程称为磁锻炼。由于动态法测量磁化曲线采用交变电流，每个状态都经过充分的磁锻炼，所以可随时测得稳定闭合的磁滞回线。2.实验原理图3磁滞回线簇图4退磁过程4如图5所示，待测样品为磁环，磁环的励磁线圈匝数为N1，测量磁环磁感应强度B的测量线圈匝数为N2。R1为励磁电流的取样电阻，R2为积分电阻，C为积分电容。在线圈N1中通入磁化电流I1，根据安培环路定律，磁环中产生的磁场H为：LINH11（1）式中L为磁环样品的平均磁路长度。取样电阻R1的输出电压为：11RIUH（2）由式（1）和式（2）得：HULRNH11（3）在式（3）中，N1、L、R1为已知常数，只要测出UH，就得到磁场强度H。设磁场H在磁环样品中产生的磁感应强度为B，由电磁感应原理可知，有效横截面积为S2的测量线圈的磁通量Φ=BN2S2，测量线圈产生的感生电势为：dtdBSNdtdE222（4）为了测量B，用R2C电路对感生电势E2进行积分，选择R2和C的数值使R21/C，为励磁电流的圆频率（即角频率ω＝2πf），则E2I2R2，积分电容C的输出电压UB为：BCRSNdBCRSNdtECRdtICCQUUcB222222211（5）由式（5）得：BUSNCRB22（6）式（6）中，N2、C、S、R2为已知常数，只要测出UB，就得到磁场感应强度B。积分C积分R2取样R1N1励磁线圈测量线圈N2电源UB（UY）UH（UX）磁环样品I2I1图5测量原理5【实验内容与步骤】图6是FC10-II型智能磁滞回线实验仪，包括样品测试箱（有红色和蓝色两个磁环样品）和LCD智能测试仪两个部分，LCD显示屏可代替示波器直接显示测量曲线和剩磁、矫顽力等数据，实验数据及输入参数可保存和随时调用。其详细使用方法见附录1。1.选择测试箱的磁样品（红色或蓝色磁环）。红色磁环为软磁材料，蓝色磁环为硬磁材料，它们的几何参数相同：截面S=124mm2，平均磁路长度L=130mm，N1=N2=100匝。按图6连线：将测试箱信号源的输出端连到磁样品的励磁线圈输入端，将磁样品测量线圈的输出端连到RC积分电路的输入端，将测试箱UH和UB的输出端分别接到LCD智能测试仪的UH(X)和UB(Y)的输入端，并将它们的接地端相连。2.选取测试箱元件参数。取样电阻R1=5.5，积分电阻R2=30K，积分电容C=3.0F，保证R21/C。注意：R2不能小于10K，C不能小于1.0F，否则磁滞回线会畸变。3.观察磁滞回线簇和初始磁化曲线（1）接通实验仪电源，选取励磁信号源的幅度和频率。励磁信号源为正弦波，频率在20200Hz连续可调，并由4位数码管显示，幅度可用波段开关分档可调。选取正弦信号的频率（如50Hz），幅度波段开关放合适位置（如I档）。（2）用LCD智能测试仪观测磁滞回线簇和初始磁化曲线①打开LCD智能测试仪的电源后，LCD显示初始界面，屏幕右下角显示“FS”字符，表示目前可以响应“S/预置”键和“F/采样间隔”键，其他按键目前暂不能响应。说明：按键上的“数字”或“字母”代表该键编号，按键上的“汉字或+1/-1”代表该键的功能。②按“S/预置”键：通过“0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”键来设置“取样电阻R1、积分电阻R2、积分电容C”参数，以便微电脑可以根据实验数据计算B或H值，描绘磁滞回线或磁化曲线。磁样品的“L、横截面积S、励磁线圈匝数N1、测量线圈匝数N2”已经预置好，不要修改。参数设置好后，按“D/确定”键，保存设置参数。此时LCD上显示B-H直角坐标轴。图6FC10-II型智能磁滞回线试验仪5.5R1R2CN1N2LS6③按“5/回线簇”键：自动测量并显示一条与励磁正弦信号幅度相对应的磁滞回线。依次将励磁正弦信号的幅度波段开关调至II档、III档，…，则自动测量并显示面积逐次增大的其他磁滞回线，得到磁滞回线簇（共测6条磁滞回线），将原点0与各磁滞回线的顶点a1,a2,a3,…，a相连,得到初始磁化曲线。观察并记录这些磁滞回线的形状与特征，以便与后面逐点测量的磁滞回线比较。4.逐点测量初始磁化曲线（1）将励磁正弦信号的频率调为50Hz，幅度波段开关调至0档，从退磁状态开始测量。（2）按“D/确定”键，结束当前操作。（3）按“4/起始磁化曲线”键：测量并显示与励磁正弦信号幅度相对应的起始磁化曲线的一个点及B、H值，将B、H值记录到数据表1（自拟）；然后将励磁正弦信号的幅度波段开关调至I档，按“4/起始磁化曲线”键，则显示磁化曲线的第2个点和B、H值，记录B、H值；依次方法逐步增大励磁正弦信号幅度直到磁化曲线饱和，从而得到起始磁化曲线。将所有点的B、H值记录到数据表1。画出LCD屏上的初始磁化曲线，以作数据处理时参考。注意：如果漏记了前面某个测量点的B、H值，可以按“7/逐点查询”键来查询。每按1次该键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，LCD屏上用“加亮”方式显示该点，并显示该点的B和H值。（4）将励磁正弦信号的频率调为100Hz，重复上述操作，再测另一条初始磁化曲线，与50Hz初始磁化曲线进行比较。表1（硬磁材料）初始磁化曲线的测量数据表50HzH（×3.75×103A/m）0B（×105T）75HzH（×3.75×103A/m）0B（×105T）5.逐点测量磁滞回线（1）按“D/确定”键，结束当前操作。（2）将励磁正弦信号的频率调为50Hz，幅度波段开关调至饱和磁化幅度（如IX档）。（3）按“6/逐点测量”键：LCD屏显示磁滞回线右上角的一点和B、H值，将B、H值记录到数据表2（自拟）。再按一次“6/逐点测量”键，按默认的步长、逆时针7方向测量并显示磁滞回线第二个点和B、H值，记录B、H值。不断按“6/逐点测量”键，直到得到一条完整的磁滞回线，将所有点的B、H值记录到数据表2中。画出LCD屏上的磁滞回线，读出HS、BS、Br、Hc值，以作数据处理时参考。表2（50Hz时）逐点测量磁滞回线的测量数据表H（×3.75×103A/m）B（×105T）H（×3.75×103A/m）B（×105T）H（×3.75×103A/m）B（×105T）H（×3.75×103A/m）B（×105T）注意：（1）如果LCD显示的磁滞回线顶部出现编织状小环，则可减小励磁信号幅度消除。(2)如果LCD显示的磁滞回线大小不合适，可以通过“8/B缩小”键、“9/B放大”键、“A/H放大”键、“X/H缩小“键在“B坐标方向”或“H坐标方向”放大或缩小磁滞回线。（3）如果漏记了前面某个测量点的B、H值，可以按“7/逐点查询”键来查询。每按1次该键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，LCD屏上用“加亮”方式显示该点，并显示该点的B和H值。（4）将励磁正弦信号的频率调为100Hz，重复上述操作，再测一条磁滞回线，与50Hz磁滞回线进行比较。【数据处理】1.根据逐点测量的初始磁化曲线数据表，同一坐标纸上画出50Hz与100Hz励磁信号的初始磁化