南昌大學(xué)鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線

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南昌大學(xué)物理實驗報告 課程名稱： 大學(xué)物理實驗 實驗名稱： 鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線 學(xué)院： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 實驗地點： 座位號： 實驗時間： 一、實驗?zāi)康模? 1. 認(rèn)識鐵磁物質(zhì)的磁化規(guī)律，比較兩種典型的鐵磁物質(zhì)的動態(tài)磁化特性。 2. 測定樣品的基本磁化曲線，作μ－H曲線。 3. 測定樣品的HD、Br、BS和（HmBm）等參數(shù)。 4. 測繪樣品的磁滯回線，估算其磁滯損耗。 2、 實驗原理： 鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，用途廣泛的材料。鐵、鈷、鎳及其眾多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特征是在外磁場作用下能被強烈磁化，故磁導(dǎo)率μ很高。另一特征是磁滯，即磁化場作用停止后，鐵磁質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)，圖1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強度B與磁化場強度H之間的關(guān)系曲線。 圖中的原點O表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B＝H＝O，當(dāng)磁場H從零開始增加時，磁感應(yīng)強度B隨之緩慢上升，如線段oa所示，繼之B隨H迅速增長，如ab所示，其后B的增長又趨緩慢，并當(dāng)H增至HS時，B到達飽和值BS，oabs稱為起始磁化曲線。圖1表明，當(dāng)磁場從HS逐漸減小至零，磁感應(yīng)強度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到“O”點，而是沿另一條新的曲線SR下降，比較線段OS和SR可知，H減小B相應(yīng)也減小，但B的變化滯后于H的變化，這現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征是當(dāng)H＝O時，B不為零，而保留剩磁Br。 當(dāng)磁場反向從O逐漸變至－HD時，磁感應(yīng)強度B消失，說明要消除剩磁，必須施加反向磁場，HD稱為矯頑力，它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段RD稱為退磁曲線。 圖1還表明，當(dāng)磁場按HS→O→HD→-HS→O→HD→HS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強度B則沿閉合曲線變化，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場中時（如變壓器中的鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。在此過程中要消耗額外的能量，并以熱的形式從鐵磁材料中釋放，這種損耗稱為磁滯損耗，可以證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。圖2 同一鐵磁材料的 一簇磁滯回線 圖1 鐵磁質(zhì)起始磁化 曲線和磁滯回線 圖 3 鐵磁材料與H并系曲線 應(yīng)該說明，當(dāng)初始態(tài)為H＝B＝O的鐵磁材料，在交變磁場強度由弱到強依次進行磁化，可以得到面積由小到大向外擴張的一簇磁滯回線，如圖2所示，這些磁滯回線頂點的連線稱為鐵磁材料的基本磁化曲線，由此可近似確定其磁導(dǎo)率，因B與H非線性，故鐵磁材料的μ不是常數(shù)而是隨H而變化（如圖3所示）。鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率可高達數(shù)千乃至數(shù)萬，這一特點是它用途廣泛的主要原因之一。 可以說磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類和選用的主要依據(jù)，圖4為常見的兩種典型的磁滯回線，其中軟磁材料的磁滯回線狹長、矯頑力、剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、電機、和交流磁鐵的主要材料。而硬磁材料的磁滯回線較寬，矯頑力大，剩磁強，可用來制造永磁體。 圖5 實驗線路 圖 4 不同鐵磁材料的磁滯回線 觀察和測量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。待測樣品為EI型矽鋼片，N為勵磁繞組，n為用來測量磁感應(yīng)強度B而設(shè)置的繞組。R1為勵磁電流取樣電阻，設(shè)通過N的交流勵磁電流為i，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強 L為樣品的平均磁路 ∵ （1） (1)式中的N1、L、均為已知常數(shù)，所以由可確定H。 在交變磁場下，樣品的磁感應(yīng)強度瞬時值B是測量繞組n和電路給定的，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通φ的變化，在測量線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為 (2) S為樣品的截面積。如果忽略自感電動勢和電路損耗，則回路方程為 式中為感生電流，UB為積分電容C兩端電壓,設(shè)在Δt時間內(nèi)，i2向電容的充電電量為Q，則 如果選取足夠大的R2和C，使i2R2>>Q/C，則 ∵ (3) 由（2）、（3）兩式可得 （4） 上式中C、R2、n和S均為已知常數(shù)。所以由UB可確定B0 綜上所述，將圖5中的UH和UB分別加到示波器的“X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品的B－H曲線；如將UH和UB加到測試儀的信號輸入端可測定樣品的飽和磁感應(yīng)強度BS、剩磁Rr、矯頑力HD、磁滯損耗〔WBH〕以及磁導(dǎo)率等參數(shù)。 三、實驗內(nèi)容和步驟： 1. 電路連接：選樣品1按實驗儀上所給的電路圖連接線路，并令R1＝2.5Ω，“U選擇”置于O位。UH和UB分別接示波器的“X輸入”和“Y輸入”，插孔⊥為公共端。 2. 樣品退磁：開啟實驗儀電源，對試樣進行退磁，即順時針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕，令U從0增至3V，然后逆時針方向轉(zhuǎn)動旋鈕，將U從最大值降為O，其目的是消除剩磁，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即B＝H＝0，如圖6所示。 圖6 退磁示意圖 圖7 UB和B的相位差等因素引起的畸變 3. 觀察磁滯回線：開啟示波器電源，令光點位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令U＝2.2V，并分別調(diào)節(jié)示波器x和y軸的靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)圖形大小合適的磁滯回線（若圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖7所示，這時可降低勵磁電壓U予以消除）。 4. 觀察基本磁化曲線，按步驟2對樣品進行退磁，從U＝0開始，逐檔提高勵磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大一個套一個的一簇磁滯回線。這些磁滯回線頂點的連線就是樣品的基本磁化曲線，借助長余輝示波器，便可觀察到該曲線的軌跡。 5. 觀察、比較樣品1和樣品2的磁化性能。 6. 測繪μ－H曲線：仔細閱讀測試儀的使用說明，接通實驗儀和測試儀之間的連線。開啟電源，對樣品進行退磁后，依次測定U＝0.5，1.0…3.0V時的十組Hm和Bm值，作μ～H曲線。 7. 令U＝3.0V，R1＝2.5Ω測定樣品1的BS,Rr,HD,WBH,等參數(shù)。 8. 取步驟7中的H和其相應(yīng)的B值，用坐標(biāo)紙繪制B－H曲線（如何取數(shù)？取多少組數(shù)據(jù)？自行考慮），并估算曲線所圍面積。 四、實驗數(shù)據(jù)與處理： 電容C1(μF)：20 電阻R1(Ω)：2.5 電阻R2(kΩ)：10 截面S(mm2)： 80 勵磁繞組N1(匝)：150 測量繞組N2(匝)：150 平均磁路L(mm)：60 表一 基本磁化曲線與－H曲線 U（V） H104安/米 B102特斯拉 ＝B/H享利/米 0.5 0.005333333 0.000666667 0.00125 1.0 0.01 0.001083333 0.001083333 1.2 0.012 0.001416667 0.001180556 1.5 0.018666667 0.00175 0.0009375 1.8 0.024 0.002 0.000833333 2.0 0.029333333 0.00225 0.000767045 2.2 0.033333333 0.0025 0.00075 2.5 0.043333333 0.002666667 0.000615385 2.8 0.05 0.002833333 0.000566667 3.0 0.056666667 0.003 0.000529412 表二.磁滯回線 U=1.2V R1=2.5歐姆 HD=43.33 Br=0.083 Bm=0.11 NO H104A/m B102T NO H104A/m B102T 1 -120 -0.133333333 9 -33.33333333 0.033333333 2 120 0.133333333 10 -33.33333333 -0.1 3 0 0.083333333 11 33.33333333 0.1 4 0 -0.066666667 12 33.33333333 -0.016666667 5 -46.66666667 0 13 66.66666667 0.083333333 6 43.33333333 0 14 66.66666667 0.116666667 7 -66.66666667 -0.066666667 15 -40 0.016666667 8 -66.66666667 -0.1 16 60 0.066666667 五、誤差分析： 1.磁滯回線的測量需要線性霍爾元件。 2.環(huán)形磁鐵{應(yīng)該是環(huán)形軟磁材料}上邊繞制繞組，并且是用電容放電的形式形成電流的上升曲線，達到頂峰隨即切除電容，即可在示波器上觀察到磁滯回線的景象。但是可以需要制作若干個這樣的試驗才可以得到滿意的效果，有時因為時間常數(shù)不對觀察不到。 六、附上原始數(shù)據(jù)：