磁滞回线

磁滞回线[引言]磁性材料应用很广，从常用的永久磁铁、变压器铁芯、到录音、录像、计算机存储用的磁带、磁盘等都采用。磁滞回线和磁化曲线反映了磁性材料的主要特征。用示波器法测量铁磁处理的磁特性是磁测量的基本方法之一，它具有直观、方便、迅速以及能够在不同的磁化状态下（交变磁化及脉冲磁化等）测量的优点，适用于一般工厂快速检测和对成品进行分类。通过实验研究这些性质不仅能掌握用示波器观察磁化曲线和磁滞回线的基本测绘方法，而且能从理论和实际应用上加深对材料磁特性的认识。[实验目的]1.掌握用感应法测量磁参量的原理、方法和技术2.了解应力、样品形状、测量频率等因素对磁性的影响3.了解交流磁化曲线的定义和测试方法[实验内容]1.观测样品形状对磁化的影响2.观测应力对磁滞回线的影响，估算磁致伸缩系数3.观测磁滞回线随外加磁场的变化，作换向磁化曲线4.观测磁滞损耗功率随磁场频率的变化[实验原理]一．原理及仪器结构磁滞回线是表达铁磁材料在磁场下磁化和反磁化行为，即描述磁感应强度(B)或磁化强度(M)与外加磁场强度(H)关系的闭合曲线，反映材料的基本磁特性，是应用磁性材料的基本依据。图1是直流磁场下的磁化曲线和磁滞回线。图中标出了磁性材料的三个重要参数Mr(Br)、Hc、Ms(饱和磁化强度，即当磁化到饱和时M的值)。在交变磁场中表现出的磁特性—交流磁特性或称动态磁特性和在直流场下的磁MS特性—静态磁性有很大不同。它不仅与材料本征特性有关，而且与测试频率、磁场波形等测试条件有关。图2表示在相同频率下外磁场幅值大小对磁滞回线的影响。随磁场变化，磁滞回线大小、形状都在变化。连接各回线的幅值（图中的Hm、Bm）点得到一条通过原点的曲线，称换向磁化曲线或交流磁化曲线。由图3可以看到，频率对磁滞回线形状有很大影响，矫顽力（HC）随频率增大而增大。感应法是一种最基本和常用的磁参量测量方法。依据法拉第电磁感应定律，在环绕试样的探测线圈内的感应电动势与其中磁通量随时间的变化率成正比，即为dtdBSN⋅⋅−=ε（1）其中N为探测线圈的匝数，S为样品的截面积，根据（1）式，将试样放在变化的磁场内磁化，则在探测线圈内有与dtdB成正比的电动势产生。这信号经线性放大后再馈入积分器中积分，即可得到与磁感强度B成正比的、幅度较大且易于测量的信号。线性放大器和积分器的装置常数经标定后，就可用作定量计测。实验装置如图4所示，包括测量和校准两部分。低频信号发生器是磁化线圈和标准互感器的初级线圈的交变功率源，通过转换开关K选择。探测线圈或标准互感器的次级线圈的插头插入放大器的输入孔，则它所接受的信号先经放大而后进行积分和调相之后馈入示波器，观察和采集处理数据。X轴显示的是与磁化线圈串联的取样电阻R（2.2Ω）两端的电压U，可由此计算磁化电流0RUI=。二．样品的M-H和B-H测量磁滞回线的获得原理如图5所示。对样品施加正弦交流磁场，样品被磁化产生非正弦交变磁通，从而得到图5的磁滞回线。本装置可测试磁体的磁化强度M和磁感应强度B。根据B和M的关系：)(0MHB+=µ（2）利用图6的探测装置可分别测出B和M的值，式中70104−×=πµ亨/米，为真空磁导率。由于B和M对H的非线性关系，B、M和H常产生相位差而导致磁滞回线的畸变，畸变形式有两类，如图7所示，畸变的产生极大的影响测试结果的准确性，因而测试时首先要消除这个畸变。为此设置RC移相器如图8所示。测试信号经调相后再馈入示波器显示，可根据显示的回线调节移相量。通过调节电位器R可补偿正或负的相移量即2)()(tan21222121++−=−RRcRRRcωωϕ（3）使相位角0=ϕ而呈现正常的磁滞回线（如图1）。对于非晶薄带卷成圆环形样品的B-H曲线测量，在圆环形样品上绕初级线圈N1匝，次级线圈N2匝。初级线圈通过取样电阻R0接低频信号发生器，调节信号源电压输出幅度改变初级电流i(t)，以改变试样的磁化强度H(t)。磁场强度与初级电流成正比：112()2()/()(/)HtNitddAmπ=+（2a）其中1d和2d分别为内径和外径。探测线圈上的感应电动势ε与样品的磁感应强度B对时间的微分Btdd成正比，由（1）式确定。（1）式中的N应取绕在样品上次级线圈匝数N2，21()/2Sddh=−为样品的横截面。这信号经放大积分变为与B成正比的信号，经调相后馈入示波器的Y输入端，作为示波器Y的扫描信号。三．用标准互感器校准积分放大器的装置常数测试得出的磁滞回线Y轴的电压值U应与B或M的值成正比，为计算B或M值，需要测定其比例常数0K，它与仪器的放大积分器的放大率、次级线圈的输入输出阻抗、相移器的分压比以及显示示波器的电参量等相关，称为装置常数。本实验用标准互感器测定装置常数。标准互感器的初级线圈接低频信号发生器，次级线圈接放大积分器。初级线圈内的电流)sin()(0ϕω+=titi时，次级线圈内的感应电动势为)cos()(000ϕωε+−=−=tiMdttdiMM（4）其中0M为标准互感器的互感系数，本仪器为501009.5−×=M（亨），ω为工作角频率，fπω2=（f为工作频率，在发生器面板上有数字显示工作频率）。感应信号Mε经过放大积分后，馈入示波器的Y输入端，作为垂直扫描信号。扫描线的长度为经放大积分后电压)(tU的峰值0U的2倍。根据（4）式有：0000iMKU=（5）其中0K为放大积分器的装置常数，与放大积分器放大率、次级线圈的输入输出阻抗、相移器的分压比以及显示示波器的电参量等相关。该装置常数0K可根据（5）式求得，即()韦伯伏/000000ϕUiMUK==（6）其中()韦伯＝000iMϕ为互感器初级线圈磁通量的峰值。从示波器y轴得出任意一时刻电压值()tU和测得0K可计算B和M的值。（6）式给出的装置常数0K不仅给出积分放大输出电压峰值与次级线圈磁通量峰值的关系，而且给出任何时刻这一对参量瞬时值之间的关系。除此之外，更重要的是，任一线圈内的感应信号经此仪器放大和积分后的输出电压与其中磁通量之比，都可应用这个比例常数。本实验就是用这常数计测磁感强度B。上述环形样品任意时刻磁感应强度的瞬时值为SNKtUtB20)()(=（7）四．条形样品的M-H回线测量条形样品的探测线圈通常不绕在样品上，而是绕在一个线圈架上。例如本实验中线圈绕在玻璃管上，样品捆在其中即可，用这种形式的探测线圈，更换样品非常方便。但应引起注意的是探测线圈的截面积远大与试样的截面积。在此情况下，探测线圈内的磁通量为)(])([210222102MSHSNBSSSHN+=+−=µµφ（8）其中1S和2S分别表示探测线圈和样品的截面积，0µ为真空磁导率，（8）式中与两截面积之差相关的磁通量对感应电势的贡献不可忽略，为此特设置补偿线圈，其匝数和截面积与探测线圈完全相同，将这补偿线圈与探测线圈反向串联，则无样品在探测线圈中时，总感应电动势等于零。探测线圈内插入样品后，总感应电动势为dtdMSN⋅⋅⋅=220µε（9）其中M为样品的磁化强度，与磁感应强度和磁场强度H的关系为HBM−=0/µ（10）计算M仍可利用上述由互感器校准的装置常数0K0022()()UtMtKNSµ=（11）五．应力对磁化的影响选用条形非晶薄带样品，夹其一端悬吊起来，把砝码托盘固定在此非晶薄带样品的另一端。如图9所示。（1）磁致伸缩现象磁体当被磁化后，其长度尺寸、体积会发生变化，或者变大、或者变小，这种现象称磁致伸缩现象。设长度为l的磁体在长度方向上线伸缩伸长l∆，定义ll∆=λ，为磁致伸缩系数（2）磁弹性能磁体由于被磁化产生应变，从而产生应力，具有磁弹性能，其逆过程，在外加磁场中，由于有了外加应力→σ，从而导致→sM改变，就是应力为磁化的影响。设→σ和→sM夹角为θ，可以证明，磁弹性能为θλσσ2cos23−=E（3）→σ对→sM取向的影响根据σE要取最小值这一原理，可得0λσ时，oo18001cos2、，==θθ，→sM||→σ0λσ时，oo270900cos2、，==θθ，→sM⊥→σ六．功率损耗测量磁化体单位体积试样一周期损耗的电磁能量等于磁滞回线的面积，损耗功率则是一秒内损耗的电磁能，即应该是磁滞回线面积的f（频率）倍。[实验步骤及数据处理]实验材料：FeCoVSiB非晶合金薄带，带宽b=1.55mm，带厚b=40µm校准仪器常数用标准互感：互感系数501009.5−×=M（亨）1.观察材料形状对磁化的影响样品：条形，1#长3cm，2#长6.5cm；磁化螺线管磁场强度：03/1055.4RUH×=（U为示波器X轴读数）；探测线圈匝数：1502=N匝（附补偿线圈）。用示波器观察两样品在同一频率和最大磁场下磁滞回线，记录相当于各样品的矫顽力cH、饱和磁化强度Ms、剩余磁化强度rM和最大磁化强度mM的读数，比较两样品的矩形度srMM/。测完每个样品，将1K接校准一方（即接通标准互感），记录示波器显示图形X,Y的峰值，用式（6）计算仪器常数0K，用公式（11）计算相应的mM、rM，用以上磁场（H）公式计算矫顽力（cH）。2.观测外加应力对磁化的影响：样品：条形，上端固定，下端吊有秤盘；磁化螺线管的磁场强度：RUH/1047.14×=（附补偿线圈）在秤盘上加不同重力砝码（不加、加50克、加100克），在同一频率和最大磁场下用示波器观察各自的磁滞回线，记录mM、cH、rM的值，2002=N匝，用公式（11）计算mM、rM，用本组磁场强度公式计算cH。校准仪器常数3.环形样品的磁滞回线随外加磁场的变化和交流磁化曲线样品尺寸：内径mmd54.71=，外径mmd66.72=，mmh55.1=；磁化线圈：1501=N匝；探测线圈：202=N匝测试：在固定频率下，用示波器观察磁场从零开始变化对磁滞回线的影响，记录各回线的最大点x，y值，分别用公式（2a）、（7）计算磁场H和磁感应强度B值，并绘制B-H曲线（换向磁化曲线），由B-H曲线计算最大磁导率max0)/(HBmµµ=，0µ为真空磁导率。4.观察频率对功耗的影响环形样品：在相同磁场幅值下测四个同频率（300-600Hz）的磁滞回线的面积，用计算机采样，计算、记录面积。参照思考题3讨论频率f对功耗的影响。注：每个磁滞回线在读数前先把磁场调到最大，参照图7调节仪器上标有ϕ的电位器以消除H与B或M的相位差。[应注意和思考的问题]1.放大积分器的装置常数与哪些因素有关？调相移、磁场、外加应力以及更换样品，什么情况下必须重新校准？这问题在实验中要特别注意。2.为什么样品形状对磁滞回线和磁参量有影响？什么参量与形状无关？为什么？3.磁滞损耗功率随频率增大，是否与频率成正比？为什么？4.为什么把交流磁化曲线上任意一点的B和H的比值称为振幅磁导率？如果测试频率变大或变小，磁化曲线将发生什么变化?