物理實(shí)驗(yàn)報告鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線

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1、實(shí)驗(yàn)２０　鐵磁材料的磁滯回線及基本磁化曲線 　　鐵磁物質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的材料。如航天、通信、自動化儀表及控制等都無不用到鐵磁材料（鐵、鈷、鎳、鋼以及含鐵氧化物均屬鐵磁物質(zhì)）。因此，研究鐵磁材料的磁化性質(zhì)，不論在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上都有重大的意義。本實(shí)驗(yàn)使用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，測量在交變磁場的作用下，兩個不同磁性能的鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線。 【預(yù)習(xí)重點(diǎn)】 　　（１）看懂實(shí)驗(yàn)原理圖及接線圖。 　?。ǎ玻?fù)習(xí)示波器的使用方法。 　　參考書：《電磁學(xué)》下冊，趙凱華、陳熙謀著，第五、六章；《大學(xué)物理學(xué)》電磁學(xué)部分，楊仲耆等編，第六章。 【儀器】 　　磁滯回線實(shí)驗(yàn)組合儀、

2、雙蹤示波器。 【原理】 　?。保╄F磁材料的磁化及磁導(dǎo)率 　　鐵磁物質(zhì)的磁化過程很復(fù)雜，這主要是由于它具有磁滯的特性。一般都是通過測量磁化場的磁場強(qiáng)度Ｈ和磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ之間的關(guān)系來研究其磁性規(guī)律的。 圖２０—１　起始磁化曲線和磁滯回線 圖２０—２　基本磁化曲線 　　當(dāng)鐵磁物質(zhì)中不存在磁化場時，Ｈ和Ｂ均為零，即圖２０—１中Ｂ～Ｈ曲線的坐標(biāo)原點(diǎn)０。隨著磁化場Ｈ的增加，Ｂ也隨之增加，但兩者之間不是線性關(guān)系。當(dāng)Ｈ增加到一定值時，Ｂ不再增加（或增加十分緩慢），這說明該物質(zhì)的磁化已達(dá)到飽和狀態(tài)。Ｈm和Ｂm分別為飽和時的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度（對應(yīng)于圖中ａ點(diǎn)）。如果再使Ｈ逐漸退到零，則與此同時

3、Ｂ也逐漸減少。然而Ｈ和Ｂ對應(yīng)的曲線軌跡并不沿原曲線軌跡ａ０返回，而是沿另一曲線ａｂ下降到Ｂr，這說明當(dāng)Ｈ下降為零時，鐵磁物質(zhì)中仍保留一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁滯，Ｂr稱為剩磁。將磁化場反向，再逐漸增加其強(qiáng)度，直到Ｈ＝－Ｈc，磁感應(yīng)強(qiáng)度消失，這說明要消除剩磁，必須施加反向磁場Ｈc。Ｈc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。圖２０—１表明，當(dāng)磁場按Ｈm→０→－Ｈc→－Ｈm→０→Ｈc→Ｈm次序變化時，Ｂ所經(jīng)歷的相應(yīng)變化為Ｂm→Ｂr→０→－Ｂm→－Ｂr→０→Ｂm。于是得到一條閉合的Ｂ～Ｈ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），它將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去

4、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。 　　應(yīng)該說明，對于初始態(tài)為Ｈ＝０，Ｂ＝０的鐵磁材料，在交變磁場強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次進(jìn)行磁化的過程中，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線，如圖２０—２所示。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱 圖２０—３　鐵磁材料μ與Ｈ關(guān)系曲線 　　為鐵磁材料的基本磁化曲線。由此可近似確定其磁導(dǎo)率μ＝Ｂ/Ｈ。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２０—３所示。在實(shí)際應(yīng)用中，常使用相對磁導(dǎo)率μr＝μ/μ0。μ0為真空中的磁導(dǎo)率，鐵磁材料的相對

5、磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬，這一特點(diǎn)是它用途廣泛的主要原因之一。 　?。玻隆惹€的測量方法 　　實(shí)驗(yàn)線路如圖２０—４所示。待測樣品為Ｅ１型矽鋼片，勵磁線圈匝數(shù)Ｎ1＝５０；用來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ而設(shè)置的探測線圈匝數(shù)Ｎ2＝１５０；Ｒ1為勵磁電流取樣電阻，Ｒ１為０.５Ω～５.０Ω。設(shè)通過勵磁線圈的交流勵磁電流為Ｉ１，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強(qiáng) （２０—１） 式中：Ｌ為樣品的平均磁路，本實(shí)驗(yàn)Ｌ＝６０.０ｍｍ。設(shè)Ｒ１的端電壓為Ｕ１，則可得 因此，（２０—２） 式（２０—２）中的Ｎ１，Ｌ，Ｒ１均為已知常數(shù)，所以由Ｕ１可確定Ｈ。 圖２０—４　磁滯回線測量線路 　　樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)

6、度Ｂ的測量是通過探測線圈和Ｒ2Ｃ2組成的電路來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在交變磁場下由于樣品中的磁通量φ的變化，在探測線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小 （２０—３） 由式（２０—３）可推導(dǎo)出 （２０—４） 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 Ｅ＝Ｉ2Ｒ2＋Ｕ2 式中：Ｉ2為感生電流；Ｕ2為積分電容Ｃ2兩端電壓。設(shè)在Δｔ時間內(nèi)，Ｉ2向電容Ｃ2的充電電量為Ｑ，則 Ｕ2＝Ｑ/Ｃ2 因此Ｅ＝Ｉ2Ｒ2＋Ｑ/Ｃ2 　　如果選取足夠大的Ｒ2和Ｃ2，使Ｉ2Ｒ2>>Ｑ/Ｃ2， 則Ｅ＝Ｉ2Ｒ2 所以 （２０—５） 由式（２０—４）和式（２０—５）可得

7、 （２０—６） 式中：Ｃ2，Ｒ2，Ｎ2和Ｓ均為已知常量（本實(shí)驗(yàn)中Ｃ2＝２０μＦ，Ｒ2＝１０ｋΩ，Ｓ＝８０mm2），所以測量Ｕ2可確定Ｂ。 【實(shí)驗(yàn)要求】 　?。ǎ保╇娐愤B接：選樣品１，按實(shí)驗(yàn)儀上所給的電路圖連接線路，并令Ｒ１＝２.５Ω；“Ｕ選擇”置于０位。ＵH和ＵB（即Ｕ１和Ｕ2）分別接示波器的“ｘ輸入”和“ｙ輸入”，插孔⊥為公共端。 　?。ǎ玻悠吠舜牛洪_啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對試樣進(jìn)行退磁，即按順時針方向轉(zhuǎn)動“Ｕ選擇”旋鈕，使Ｕ從０Ｖ增加至３Ｖ，然后逆時針方向轉(zhuǎn)動旋扭使Ｕ從最大值降為０Ｖ，其目的是消除剩磁，即退磁過程，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即Ｈ＝Ｂ＝０，如圖２０—５所示。 圖２０—５

8、　退磁過程 　?。ǎ常┯^察磁滯回線：開啟示波器電源，令光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令Ｕ＝２.２Ｖ，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（若圖的頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，可適當(dāng)降低勵磁電壓Ｕ予以消除）。 　?。ǎ矗┯^察基本磁化曲線：按實(shí)驗(yàn)要求（２）對樣品進(jìn)行退磁，從Ｕ＝０開始，逐步提高勵磁電壓，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，借助長余輝示波器，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。 　?。ǎ叮yμ～Ｈ曲線：仔細(xì)閱讀測試儀的使用說明，連接實(shí)驗(yàn)儀和測試儀之間的連線。開啟電源，對樣品進(jìn)行退磁后，按測試儀使用說明依次測定Ｕ＝０.５，１.０，…，３.０Ｖ時的１０組Ｈm和Ｂm值，作μ～Ｈ曲線。 　?。ǎ罚┝睿眨剑?０Ｖ，Ｒ１＝２.５Ω測定樣品１的Ｂm、Ｂr，Ｈc等參數(shù)。 　　（８）取實(shí)驗(yàn)要求（７）中的Ｈ和其相應(yīng)的Ｂ值，用坐標(biāo)紙繪制Ｂ～Ｈ曲線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)可?。常病矗包c(diǎn)即每象限８～１０點(diǎn)。 【思考題】 　?。ǎ保┯^察樣品１和樣品２的磁滯回線的不同，說明樣品１和２的磁性優(yōu)劣？哪個樣品為軟磁材料，哪個樣品為硬磁材料？ 　?。ǎ玻┳儔浩麒F心用矽鋼片疊合制成，為什么要用磁性能好的軟磁材料制作？