12铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验报告：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线一、实验题目：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线二、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动态磁化特性。2测定样品的基本磁化曲线，作μ-H曲线。3计算样品的Hc、Br、Bm和（Hm·Bm）等参数。4测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。三、实验原理：1铁磁材料的磁滞现象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0表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=0，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0a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Hm时，B到达饱和值，0abs称为起始磁化曲线，图1表明，当磁场从Hm逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“0”点，而是沿另一条新曲线SR下降，比较线段0S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=0时，B不为零，而保留剩磁Br。图1铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线图2同一铁磁材料的一簇磁滞回线当磁场反向从0逐渐变至-HC时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向BH0磁场，HC称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态能力，线段RD称为退磁曲线。图1还表明，当磁场按Hm→0→HC→-Hm→0→HC→Hm次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS′R′D′S变化，这条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=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，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μ=B/H，因B与H的关系成非线性，故铁磁材料μ的不是常数，而是随H而变化（如图3所示）。铁磁材料相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛主要原因之一。图3铁磁材料与H的关系图4不同材料的磁滞回线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。而硬磁材料磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。2用示波器观察和测量磁滞回线的实验原理和线路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EI型矽钢片，N1为励磁绕组，N2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N1的交流励磁电流为i，根据安培环路定律，样品的磁化场强L为样品的平均磁路长度，其中，所以有式中N1、L、R1的均为已知常数，所以由UH可确定H。LiNH11RUiHHULRNH11BH0B(H)=BHBH0硬磁软磁在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组和R2C2电路给定的，根据法拉第电磁感定律，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S为样品的截面积。图五实验原理线路如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为ε2=i2R2+UB式中i2为感生电流，UB为积分电容C2两端电压设在Δt时间内，i2向电容的C2充电电量为Q，则如果选取足够大的R2和C2使i2R2＞＞Q/C2，则ε2=i2R2由（2）、（3）两式可得上式中C2、R2、N2和均S为已知常数。所以由UB可确定B。综上所述，只要将图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，并可用示波器测出UH和UB值，进而根据公式计算出B和H；用该方法，还可求得饱和磁感应强度BS、剩磁Br、矫顽力HC、磁滞损耗WBH以及磁导率μ等参数。四、实验内容：1电路连接：选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路，并令R1=2.5Ω，“U选择”置2BCQU2222CQRidtdURCdtdUCdtdQiB222B22B222USNRCBN2X样品UBUHFμF10K断0dtdN22dtN221dtSN1sB22于0位。UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔为公共端。2样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V。然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为0。其目的是消除剩磁。确保样品处于磁中性状态，即B=H=0，如图6所示3观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标网格中心，令U=2.2V，并分别调节示波器X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。若图形顶部出现编织状的小环，如图7所示，这时应该检查示波器的通道输入方式，其中X通道应该打到交流输入，Y通道应该打到直流输入，同时适当降低励磁电压U予以消除）。图6退磁示意图图7调节不当引起的畸变现象4观察基本磁化曲线：按步骤2对样品进行退磁，从U=0开始，逐档提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线。记录下这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线。另外，如果借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。5调节U=3.0V，R1=0.5Ω，测定样品1的一组UB、UH值，并根据已知条件：L=75mm，S=120mm2，N1=150匝，N2=150匝，C2=20μF，R2=10KΩ，计算出相应的B和H的值。6根据得到的B和H的值作B～H曲线，根据曲线求得Bm，Br、和Hc等参数。并估算曲线的面积来求得WBH。7测绘μ～H曲线：依次测定U=0.5，1.0…3.5V时的十组UB、UH值，计算出相应的Hm、Bm和μ值，作μ～H曲线。8改变R1观测不同的磁化曲线。9观察、测量并比较样品1和样品2的磁化性能。五、数据处理：1观察磁滞回线：(样品15.21R)BHBH2取1R为不同的值观察基本磁化曲线：（1）5.21R：（2）5.01R：（3）5.41R：3测绘μ～H曲线：依次测定U=0.5，1.0…3.5V时的十组UB、UH值，计算出相应的Hm、Bm和μ值，作μ～H曲线。由图中数据可知：mAHm/579554.52TBm544271.0mTABHSmm/6175.28544271.0579554.52222121磁滞损耗为3/059591.14mJ由于数据保存格式无法打开，故暂无法通过图像计算出其他各项具体数据。4观察样品2的磁化性能。观察样品2的磁滞回线如下：由数据分析可知，样品2的磁滞损耗比样品1小。六、实验结果分析：实验中通过图像直观的反映出了磁滞回线的形态，观测到了磁化曲线。并且通过比较样品1和样品2。实验中，原本还想验证教科书上的结论：“当温度升高时，磁滞回线变窄，当温度达到居里点时磁滞现象消失。”并想找到居里温度，但由于实验条件有限，未能实施。