示波器观测动态磁滞回线

北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3示波器观测动态磁滞回线2013年5月23日x1目的要求1.用示波器观测软磁材料的交流磁滞回线。2.学习标定磁场强度，磁感应强度，测定样品的磁参数（Bs;Br;Hc）。3.了解磁路气隙导致的测量误差及修正方法。x2仪器用具磁滞回线测量仪（包含样品1和样品2以及电阻，电容等，DN4516系列），市电低压交流源（32V，50Hz），示波器（SS–7802A）。x3实验原理铁磁材料一个重要的特点便是磁滞：当材料磁化时，磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且与以前的磁化状态有关。如图所示：1北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3名词术语解释：磁中性状态：磁化场H为零时磁感应强度B也为零的状态，称为磁中性状态。对铁磁样品加一个振幅足够大的交变磁场，并逐渐将振幅减小到零，铁磁样品即可被磁中性化。磁滞回线：磁化场H循环变化时（−H↔0↔+H）B的变化轨迹称为磁滞回线。它是相对于原点对称的闭合曲线。（样品测量前需要先磁中性化）饱和磁滞回线：磁化场H在循环变化过程中可以达到足够大，使铁磁材料的磁化强度M=B0−H随H的增大不再增大，由这样的循环变化磁化场得到的磁滞回线称为饱和磁滞回线。饱和磁滞回线上磁感应强度最大的值称为饱和磁感强度，用Bs表示。饱和磁滞回线上B=0所对应的磁化场称为矫顽力，用HC表示。饱和磁滞回线上H=0所对应的磁感应强度称为剩余磁感应强度，用Br表示。基本磁化曲线：将振幅不同的循环变化磁化场下所得到的磁滞回线的顶点连接起来的曲线。（样品测量前需要先磁中性化）起始磁导率i：磁导率μ定义为=B0H，通常铁磁材料的μ是温度T、磁化场H、频率f的函数。在很低的磁化场下，磁化是可逆的，H和B之间呈线性关系，没有滞后现象，在此区域中，磁导率为常数，该磁导率称为起始磁导率，即i=limH!0B0H。可逆磁导率r：当一个直流磁场H和一个很弱的交变磁场eh同时作用在铁磁材料上时，直流磁场H（也称为直流偏磁场）使铁磁材料偏离磁中性化状态，eh引起磁感应强度B的交流变化eb。当eh→0时，由eh产生的退化磁滞回线（即一条斜线）的斜率与0的比值称为可逆磁导率r，即r=limh!0=b0h，其中h和b分别是eh和eb的变化范围。r是H的函数，一般H越大，r越小。实验原理图如下图所示：磁感应强度和磁场强度的标定：H=uR1N1R1l2北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3B=R2CucN2S其中l，铁磁样品的磁路长度；S，铁磁样品磁路的横截面积；N1，N2，初级、次级绕组匝数。对样品1（铁氧体）：l=0.130m，S=1:24×104m2，N1=N2=N3=150匝。对样品2（硅钢片）：l=0.075m，S=1:20×104m2，N1=N2=N3=150匝。x4实验内容A.观测样品1（铁氧体）的饱和磁滞回线。1.取R1=2.0Ω，R2=50kΩ，C=10.0F，f=100Hz，调节励磁电流大小及示波器的垂直、水平位移旋钮，在示波器显示屏上调出一个相对于坐标原点对称的饱和磁滞回线。在回线的上半支上，从−Bs到Bs选取9个以上测量点（其中必须包括Bs，B=0，H=0三个点），测量各点的H和B。根据测量的数据在坐标纸上画出饱和磁滞回线。给出Bs，Br，HC的测量值。2.保持R1，R2C不变，测量并比较f=50Hz和150Hz时的Br和HC。3.取R1=2.0Ω，f=50Hz，励磁电流Im=0.2A，积分常数R2C分别为0.01秒、0.05秒、0.5秒时，观察并粗略画出不同积分常数下李萨如图形的示意图。B.测量样品1（铁氧体）的基本磁化曲线。（测量前需要先对样品进行磁中性化。）1.取R1=2.0Ω，R2=50kΩ，C=10.0F，f=100Hz。若HS是与BS对应的磁化场，让H从0到HS单调增加，测量并画出基本磁化曲线（至少25个测量点）。2.根据测量数据计算并画出–H曲线。C.（选做）测量样品1（铁氧体）的起始磁导率和在不同直流偏置磁场下的可逆磁导率。（测量前需要先对样品进行磁中性化。）参数设置为：R1=2.0Ω，R2=20kΩ，C=2.0F，f=100Hz。1.不加直流偏置磁场，测起始磁导率i。（测量时，需调交流信号源幅度使交流磁场eh足够小，并调示波器偏转因数，使屏幕上出现线状的李萨如图形。）2.让直流偏磁场H从0到HS单调增加，测量对应于每个H的可逆磁导率r。画出r—H曲线（至少10个点）。（！！！注意：数字电表选“20A”电流插孔，20A量程）D.（选做）测量并画出样品2（硅钢）在给定交变磁化场（幅度Hm=400A/m）下的磁滞回线。参数设置为：R1=2.0Ω，R2=50kΩ，C=10.0F。1.测量并画出f=50Hz的磁滞回线。确定Bm，Br，HC。2.观察f=20Hz，40Hz，60Hz时磁滞回线的变化规律。测量f=20Hz，40Hz，60Hz的Bm，Br，HC。3北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3x5数据表格（1）观察样品1的饱和磁滞回线。1.饱和磁滞回线曲线数据表：（R1=2.0Ω，R2=50kΩ，C=10.0F，f=100Hz）H/mV0.020.530.060.090.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0B1=mV3.906.958.0010.0010.9011.2512.1012.6012.8513.1013.45B2=mV-3.900.002.106.609.109.7511.4512.2512.7013.0513.452.不同频率时的Br和HC:f=50Hz时，Br=3:75mV，HC=20:0mV。f=150Hz时，Br=4:1mV，HC=20:5mV。3.积分常数R2C分别为0.01秒、0.05秒、0.5秒时，观察并粗略画出不同积分常数下李萨如图形的示意图。a.0.01s时示意图：b.0.05s时示意图：4北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3c.0.5s时示意图：（2）测量样品一的基本磁化曲线。Hs=mV0.010.020.030.040.050.060.070.080.0Bs=mV0.00.651.452.754.055.406.607.758.80Hs=mV90.01000.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0Bs=mV9.5510.2010.7511.2011.5011.8012.1012.3012.50Hs=mV180.0190.0200.0210.0220.0230.0240.0250.0–Bs=mV12.7012.9013.0513.2513.3513.4513.5013.50–（3）测量样品二的磁滞回线。1.磁滞回线数据表：（R1=2.0Ω，R2=50kΩ，C=10.0F）H/mV0.040.080.0120.0160.0200.0240.0280.0320.0360.0400.0Bs=mV22.624.826.828.229.430.231.431.832.032.432.6B2=mV-22.6-19.6-13.8-3.09.617.623.827.629.631.832.62.观察不同频率时的磁滞回线的变化规律。f=20Hz时，Bm=33:8mV，Br=20:6mV，HC=104mV。f=40Hz时，Bm=33:6mV，Br=22:4mV，HC=120mV。f=60Hz时，Bm=33:8mV，Br=22:4mV，HC=138mV。5北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3x6数据处理及结果考虑上面的数据H和B都是用电压来表示，所以在数据处理中我们根据公式：H=uR1N1R1lB=R2CucN2S代入公式我们得到真正的H和B值，并应用于下面的数据处理。（1）观察样品1的饱和磁滞回线。1.饱和磁滞回线如下图所示：-200-1000100200-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4B1B2B/TH(A/m)从图像中我们可以看出，得到的结果还是符合预期的，拟合出来的曲线也较为的平滑，在接近饱和磁化的时候，两条曲线也趋于重合，所得到的结果还是较为满意。从数据表格中（经过公式换算后的值）我们可以得出：Bs=0:36TBr=0:10THC=11:82A=m2.不同频率时的Br和HC:f=50Hz时，Br=0:10T，HC=11:53A=m。f=150Hz时，Br=0:11TmV，HC=11:82A=m。从数据可以看出，Br随频率的关系并没有明显的变化。HC随频率的增加而略有增加。但考虑我们所测的数据点较少，这一结论是难以确立的。3.积分常数R2C分别为0.01秒、0.05秒、0.5秒时，观察并粗略画出不同积分常数下李萨如图形的示意图。在数据表格中，我们已经给出了图形。从其中可以看到，时间常数对磁滞回线是有6北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3一定的影响的，甚至会完全影响其形状。（2）测量样品一的基本磁化曲线。基本磁化曲线如图所示：0204060801001201401600.000.050.100.150.200.250.300.350.40B/TH(A/m)从图中我们可以看出，H和B线性关系并不明显，在初始时，随着H的增大，B增大的速度增加，当到达一定值后，随着H的增加，B的增加速度越来越慢。下图—H曲线可以更加明显的看到这一点。060120200030004000iH(A/m)如图所示，我们看到，随着H的增大，先增加后减少，出现一个峰值。7北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3（3）测量样品二的磁滞回线。1.样品二的磁滞回线如图所示：-3000300-101B1B2B/TH(A/m)从图像中可以看出，其大致形状和样品一是一样的，不同的是，其HC和Br都较样品一大，且两者之比较样品一大，导致曲线显得较为粗壮。我们还得到：Bs=0:91TBr=0:63THC=130A=m2.不同频率时的Br和HC:f=20Hz时，Br=0:57T，HC=104A=m，Bm=0:94T。f=40Hz时，Br=0:57T，HC=120A=m，Bm=0:93T。f=60Hz时，Br=0:62T，HC=138A=m，Bm=0:94T。从数据中我们可以看出，Br;Bm随频率辩护关系不明显，而HC随频率增大而增大。当然，这里同样存在取样数较少的问题。x7讨论此次实验难度上来说应该是较为中等的。对学生的操作能力和数据处理的能力都有一定的要求。虽然正常的完成了实验，但个人却对实验的一些原理不甚了解。如磁滞回线在示波器上是如何呈现的，对于电路的一些原理仍然不是很懂。另外，对于通过调节幅度调整铁磁体的磁化强度，这一部分的原理也仍然不是很懂。总之，虽然得到了正确的实验结果，但对其最本质的部分，仍然存在不懂的地方。8北京大学实验报告姓名：陈伟学号：1100011608组号：二下三组组内编号：3x8思考题1.铁磁材料的动态磁滞回线与静态磁滞回线在概念上有什么区别？铁磁材料动态磁滞回线的形状和面积受哪些因素的影响？答：当磁场缓慢变化时测得的磁滞回线为静态磁滞回线，如果采用交变的磁场，所测得的为动态磁滞回线。磁滞回线的形状受磁材料的种类，磁材料本身的形状和大小本身性质，交流电的频率，交流电的幅度（即磁化强度）等因素影响。2.本实验中，电路参数应怎样设置才能保证euR1euC所形成的李萨如图形正确反映材料动态磁滞回线的形状？答：主要在于两个参数的设置，第一个是交流电的幅度应保证铁磁体饱和磁化。第二个是应该具有较为合适的时间常数，从第一部分第（3）步便可以看出这一点，从中也可以看出R2C≫T时，即积分电路时间常数远大于积分时间时，磁滞回线才会不发生