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铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
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铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 实验讲义 铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性，也是设计选用材料的重要依据。 一：实验目的： 1． 认识铁磁材料的磁化规律，比较两种典型铁磁物质的动态磁特性。 2． 测定样品的基本磁化特性曲线(Bm-Hm曲线)，并作μ—H曲线。 3． 测绘样品在给定条件下的磁滞回线，以及相关的Hc ，Br ，Bm ，和[H B ]等参数。 二：实验原理： 铁磁物质是一种性能特异，在现代科技和国防上用途广泛的材料。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，磁导率μ 很高。另一特性是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁材料仍保留磁化状态。图一为铁磁物质的磁感应强度Β与磁场强度H之间的关系曲线。 B (Bm)BS s r b c a H -HS -HC 0 HC HS (Hm) Rˊ-Br sˊ -Bm 图一 铁磁物质的起始磁化曲线和磁滞回线 图中的原点。表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=O 。当外磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段落0a所示；继之B随H迅速增长，如ab段所示；其后，B的增长又趋缓慢；当H值增至Hs 时，B 的值达到 Bs ，在S点的Bs和Hs，通常又称本次磁滞回线的Bm和Hm。曲线oabs段称为起始磁化曲线。 当磁场从Hs逐渐减少至零时，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到o点，而是沿一条新的曲线sr下降，比较线段os和sr，我们看到：H减小，B也相应减小，但B的变化滞后于H的变化，这个现象称为磁滞，磁滞的明显特征就是当H=0时，B不为0，而保留剩磁Br。 当磁场反向从o逐渐变为-Hc时，磁感应强度B=O，这就说明要想消除剩磁，必须施加反向磁场，Hc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rc称为退磁曲线。 图一还表明，当外磁场按Hs →0→-Hc→-Hs →0 → Hc→ Hs次序变化时，相应的磁感应强度则按闭合曲线srcs’r’c’s变化时，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（如变压器铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁畴的存在，此过程要消耗能量，以热的形式从铁磁材料中释出。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。 当初始态为H=B=O的铁磁材料，在峰值磁场强度H由弱到强的交变磁场作用下磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一组磁滞回线，如图二所示。 这些磁滞回线顶点的连线称为该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是非线性关系，所以铁磁材料的磁导率 μ不是常数，而是随H而变化，如图三所示。铁磁材料的磁导率可高达数千至数万，这一特点使它广泛地用于各个方面。 μ-H 图二 同一铁磁材料的一组磁滞回线 图三 铁磁材料基本磁化曲线和μ--H关系曲线 磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类的主要依据，图四为常见的几种典型的磁滞回线。其中，磁滞回线宽者，为硬磁材料，适用制造永磁体，其矫顽力大。剩磁强，如钕铁硼合金。磁滞回线细而窄者，为软磁材料，矫顽力，剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机和交流电磁铁的主要材料。磁滞回线如矩形者，矫顽力小，剩磁大， B 适于做记忆材料。如磁环、磁膜，广泛地应用于高科 矩 技行业。 软 硬 H 图四 不同铁磁材料的磁滞回线 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。 待测样品有两种，为E型的钢片形式。N为励磁绕组匝数，n为测量磁感应强度B所用的测量绕组匝数。R1为励磁电流限流电阻，同时也是输出UH的取样电阻。设通过励磁线圈的励磁电流为I1，则根据安培环路定律，样品的磁化场强为，（在任意时刻） ∮H•dl=ΣI ∴ H= i1N/L ∵ i1=U1/R1 L为样品的平均磁路长度 ∴ H=(N/LR1)U1 。。。。。。。⑴ 所以，我们可以通过测量U1，计算出场强H。 在交变磁场作用下，样品的磁感应强度值B瞬时值是由测量绕组n和R2、C2电路来给定。根据法拉第电磁感应定律，由于测量绕组中磁通变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为： ε2==n dφ/dt 根据磁感应强度定义： B=φ/S ∴ B=(1/nS)∫ε2 dt 。。。。。。。⑵ 其中S为样品的横截面积。 在测试回路中；根据基尔霍夫定律 有 ε2=i2R2+U2+i2r-L2di2/dt 式中R为测试线圈内阻，L2为测试线圈自感。 测试线圈的自感和内阻都很小，我们把它们忽略，则回路方程为： ε2=i2R2+U2 U2=Q/C2 由于我们选用的R2和C2都比较大， 而 i2R2 和 Q/C2 相比较, i2R2>> Q/C2 所以 又把回路方程近似为： ε2=i2R2 而 i2=C2dU2/dt 所以 ε2=R2C2dU2/dt 。。。。。。。。⑶ 由 ⑵ ， ⑶ 得出 B=（R2C2/nS）U2 。。。。。⑷ 所以，测得U2，便可计算出B。 综上所述，我们将U1、U2加到示波器的x、y输入端上，便可看到样品的磁滞回线（B-H线）加到测试仪上，可对样品的磁滞回线多点采样测定，并计算出此测试条件下的饱和磁感应强度Bm，剩磁Br，矫顽力Hc和磁滞损耗［BH］。及磁导率。 三、实验内容 1．电路连接：在实验仪上选定一个样品，按实验仪机箱上所给定的电路图连接线路，把R1选择调到2.5Ω，U选择调节到0，UH和UB分别连接到示波器的通道1（CH1 X）和通道2（CH2 Y）端子。插孔⊥为公共。将示波器的TIME/DIV旋钮反时针旋到底（X-Y）档。 2．样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁。即顺时针转动“U选择”旋钮，令U从0增加到3V，然后再反时针方向转动，将U从最大值3V减到0，目的是消除剩磁，使测试样品处于磁中性状态。即B=H=0，如图六所示。 3、观察磁滞回线：打开示波器电源，适当调节光点的亮度（INTEN）和聚焦（FOCUS），使光点清晰，同时调节光点的水平位置和CH2的垂直位置，使光点位于坐标网格的中心。令U=2.2V，分别适当调节CH1和CH2的灵敏度（VOLTS/DIV）使显示屏上出现大小适当的磁滞回线，若滞回线顶部出现编织状小环（如图上所示），可以适当降低励磁电压予以消除。 4观察、比较样品1和样品2的磁滞回线。请注意，在将测试线路从一个样品移向另一个样品时，请关闭测试电源。接入样品后，首先应退磁。 5测绘样品的 曲线，关闭示波器和实验仪电源，撤去示波器，输入探笔，将实验仪的Y （UB）， 和Ｘ（ＵＨ）同测试仪的三个相应端子用给定的粗线连接起来，开启电源，对样品退磁，依次测定U=0.5V、1.0v……、3.0V的10组Hm和Bm值（使用测试议的功能7做测试，使用功能11显示）填入表一，计算出μ 值，用坐标纸画出基本磁化曲线B-H曲线和μ –H线。 6、 令U=3.0V、R=2.5，先退磁，使用测试仪的功能7做一次给定条件下的磁滞回线测试，用功能8，读出本次测试中近300个点的B，H值，记入表一，并用功能11读出Bm,用功能9读出本次磁滞回线的Hc和Br，用功能10 读出本次磁滞回线的磁滞损耗[HB]，填入表二,填表时请注意所使用的倍数。记下所用倍数代号和倍数值。 7、根据步骤6中所测得的B、H值用坐标纸绘制出磁滞回线(B-H曲线)，如何取数，取多少个数，请自行考虑。 四、实验记录 表一、基本磁化曲线（Bm-Hm曲线）和μ－H曲线。 测试条件： 样品号： 仪器号： 单位： H： B： μ： U Hm Bm μ 表二 磁滞回线 测试条件： U= R1= 测试样品号： 仪器编号： 所用倍数代码： 倍数及单位： H： B： Hc= Br= Bm= [HB]= No H B No H B No H B 附 录 磁滞回线实验仪分为两部分，实验仪和测试仪，我们分两部分作介绍。 壹、 实验仪、 配合示波器，可以观察铁磁材料的磁滞回线和测定基本磁化曲线。它由励磁电源，试样，电路板及实验接线，接线图等部分组成。 1、 励磁电源 由220V、50H市电，经变压器隔离，降压后，供磁化试样。励磁电源输出电压共分11档，即：0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V通过电路板上的波段开关“U选择”实现切换。 2． 试样 试样有两个，样品1和样品2，它们的平均磁路长度L横截面积S相同而磁特性不同，两者的磁励绕组匝数N和测试绕组匝数n也相同，均制作为E型铁心型式。 N=50 n=150 L=60mm S=80mm¬2 3． 电路板 该印刷电路板上装有电源开关，样品1和样品2，励磁电压选择（U选择），和调节磁电流兼作H测量的取样电阻的R1选择开关。还有测量磁感应强度B所用的积分电路元件R2、C2。 以上各元件（除电源开关）通过电路板与对应的连接用锁紧插孔相连接，只须采用专用插线，即可实现电路连接。 电路板上还设有正比于磁感应强度B的电压VB和正比于磁场强度H的电压VH输出插孔，用于连接示波器，观察磁滞回线及连接测试仪作定量测试用。 4． 实验接线示意图 试样 二、测试仪 测试仪和实验仪配合使用，能定量，快速测量铁磁材料，在反复磁化过程中的B和H 的瞬时值，并能测出剩磁Br，矫顽力HC，饱和磁感应强度Bm，计算出磁滞损耗[HB]等各种相关参数。 1． 测试仪面板图： 2．测试仪使用参数 L、测试样品平均磁路长度 已内置 L=60 cm 可修改 S、待测样品横截面积 已内置 S=80mm2 可修改 N、待测样品励磁绕组匝数 已内置 N=50 可修改 n、待测样品磁感应强度B测量绕组匝数 已内置 n=150 可修改 R1、励磁电流选择及磁场强度H测量取样电阻 可在0.5-5Ω 间任选 R2、积分电阻 阻值10KΩ 固定 C2、积分电容 20 μf 固定 UH、正比于磁场强度的有效值电压 供调试用电压范围（0~1V） UB、正比于磁感应强度B的有效值电压 供调试用0~1V。 3．瞬时值B与H的计数算公式。 H=(N/LR1)U1 B=（R2C2/nS）U2 4．测试仪按键功能说明： 共有按键五个， ⑴ 功能键：用于选择不同功能 共有15种，每按一次，切换一种，在数码显示窗上，显示选定功能代码。 ⑵ 确认键：当选定某功能后，按下此键，测试仪便执行选定功能。 ⑶ 数位键：用于选定要输入的数字的位置，用闪动的小数点代表，每按一次由左向右，循环移动 ⑷ 数据键：用于在选定的位置上输入数字，每按动一次，数字由0－9循环选择。 ⑸ 复位键：开机后，显示器会依次巡回显示，P和8 ，表示测试仪处于待命状态，在做功能切换或测试仪工作不正常时，应按此键，使测试仪回到待命状态。 5．测试仪功能介绍： ⑴ 显示所测样品的N和L值，不使用确认键。 H Π. 0 0 5 0 B L. 0 6 0 0 千匝 百匝 十匝 个匝 百 十 个 分 毫米 这里显示 Ｎ＝５０ Ｌ＝４０ｍｍ ⑵ 显示所测样品的ｎ和Ｓ值，不用确认 H n. □ 1 5 □ B S. 0 8 0 0 千 百 十 个 匝 百 十 个 分 毫米¬２ ⑶ 显示Ｒ１值和Ｂ与Ｈ值的倍数代码， 不用确认 H ┌ 1. 2 5 0 B S. 3 b. 3 1 0.1 0.01 H与B的倍数代号 1 ×101 1 ×10-1 2 ×102 2 ×100 Ｈ倍数 3 ×103 Ｂ的倍数 3 ×101 4 ×104 4 ×102 5 ×105 5 ×103 ⑷ 显示电阻Ｒ２和Ｃ２数值 不用确认 H ┌ 2. 1 0 0 B [ 2. 2 0 0 ⑸ 显示ＵＨ和ＵＢ的测量值 在按确认键后 H U h C. B U b C. H 0. 9 5 3 2 B 0. 1 2 0 2 显示ＵＢ和ＵＨ的有效值 ⑹ 显示每周期采样的总点数和测试信号频率，使用确认键， H Π. B F. 使用确认键后 H Π. 3 0 8 B F. 4 9. 9 显示对磁滞回线采样308点，测量信号频率49.9 HZ ⑺ 数据采样，即进行测量 使用确认键。 H H . b. 测试仪将对一条磁滞回线，按功能6指定的点自动采样，测试，按确认键后窗口显 H ， 。 ， 。 。 B 。 、 。 。 。 持续一段时间，然后，窗口全暗，最后显示： H H. b. B C o o d. 表示 样测试成功。 如果测试仪显示 B b a d. 表示系统有故障，应查明原因后再使用。 ⑻ 显示磁滞回线上 各样点的B和H的瞬时值。 H H. S H □ B b. S H □ 每按两次确认键，显示指定点的B和H瞬时值，其中，第一次按键，显示点序号。（右边窗口） H Π □. B 2 第二次按确认键显示该点的B和H值 H 0. 0 0 4 B – 0. 0 0 5 3 显示格式如上，其中第一位是符号位。以4、1、2、3象限为序。全部数据读完后显示 ⑼ 显示本次磁滞回线的矫顽力Hc和剩磁Br 使用确认键之后，窗口显示。 H H. 0. 0 2 8 B b. 0. 0 7 0 ⑽ 显示样品的本次磁滞回线的磁滞损耗，按功能键 H A .= B ┌ H. b. ┘ 按确认键后，窗口显示按步序3所确定的单位，计算出的本次磁滞回线的面积 H ┌ H. b. ┘ = B 0. 0 1 8 7 所确定的单位磁滞损耗的计算公式为： 单位为H×B×103J/m3 ⑾ 显示本次测量中的H和B的最大值，Hm和Bm，按功能键后， H H ∏. B b ∏ 经确认后： H H. 0. 5 4 1 B b. 0. 0 7 2 其余功能略， |
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