鐵磁材料磁滯回線和磁化曲線的測量

實驗6-22 鐵磁材料磁滯回線和磁化曲線的測量 在交通、通訊、航天、自動化儀表等領(lǐng)域中，大量應(yīng)用各種特性的鐵磁材料。常用的鐵磁材料多數(shù)是鐵和其它金屬元素或非金屬元素組成的合金以及某些包含鐵的氧化物（鐵氧體）。鐵磁材料的主要特性是磁導(dǎo)率μ非常高，在同樣的磁場強度下鐵磁材料中磁感應(yīng)強度要比真空或弱磁材料中的大幾百至上萬倍。 磁滯回線和磁化曲線表征了磁性材料的基本磁化規(guī)律，反映了磁性材料的基本磁參數(shù)，對鐵磁材料的應(yīng)用和研制具有重要意義。本實驗利用交變勵磁電流產(chǎn)生磁化場對不同性能的鐵磁材料進(jìn)行磁化，通過單片機采集實驗數(shù)據(jù)，測繪磁滯回線和磁化曲線，研究鐵磁材料的磁化性質(zhì)。 實驗?zāi)康? 1、了解用示波器顯示和觀察動態(tài)磁滯回線的原理和方法。 2、掌握測繪鐵磁材料動態(tài)磁滯回線和基本磁化曲線的原理和方法，加深對鐵磁材料磁化規(guī)律的理解。 3、學(xué)會根據(jù)磁滯回線確定矯頑力、剩余磁感應(yīng)強度、飽和磁感應(yīng)強度、磁滯損耗等磁化參數(shù)。 4、學(xué)習(xí)測量磁性材料磁導(dǎo)率的一種方法，并測繪鐵磁材料的—曲線，了解鐵磁材料的主要特性。 實驗儀器 TH—MHC型磁滯回線實驗儀，智能磁滯回線測試儀，雙蹤示波器等。 圖1 初始磁化曲線和磁滯回線 Q Q 實驗原理 1、鐵磁材料的磁化特性及磁導(dǎo)率 1）初始磁化曲線和磁滯回線 研究鐵磁材料的磁化規(guī)律，一般是通過測量磁化場的磁場強度H與磁感應(yīng)強度B之間的關(guān)系來進(jìn)行的。鐵磁材料的磁化過程非常復(fù)雜，B與H之間的關(guān)系如圖1所示。當(dāng)鐵磁材料從未磁化狀態(tài)（H=0且B=0）開始磁化時，隨的增加而非線性增加。當(dāng)增大到一定值后，增加十分緩慢或基本不再增加，這時磁化達(dá)到飽和狀態(tài)，稱為磁飽和。達(dá)到磁飽和時的和分別稱為飽和磁場強度和飽和磁感應(yīng)強度（對應(yīng)圖1中Q點）。B~H曲線OabQ稱為初始磁化曲線。當(dāng)使從Q點減小時，也隨之減小，但不沿原曲線返回，而是沿另一曲線QRD下降。當(dāng)逐步較小至0時，不為0，而是，說明鐵磁材料中仍然保留一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁滯效應(yīng)；稱為剩余磁感應(yīng)強度，簡稱剩磁。要消除剩磁，必須加一反向的磁場，直到反向磁場強度＝，才恢復(fù)為0，Hc稱為矯頑力。繼續(xù)反向增加，曲線達(dá)到反向飽和（Q點），對應(yīng)的飽和磁場強度為，飽和磁感應(yīng)強度為。再正向增大，曲線回到起點Q。從鐵磁材料的磁化過程可知，當(dāng)磁化場按→0→→→0→Hc→依次變化時，所經(jīng)歷的相應(yīng)變化依次為→→0→－→－→0→，這一過程形成的閉合B~H曲線稱為磁滯回線。采用直流勵磁電流產(chǎn)生磁化場對材料樣品反復(fù)磁化測出的磁滯回線稱為靜態(tài)（直流）磁滯回線；采用交變勵磁電流產(chǎn)生磁化場對材料樣品反復(fù)磁化測出的磁滯回線稱為動態(tài)（交流）磁滯回線。 圖2 不同鐵磁材料的磁滯回線 2）磁滯損耗 圖3 一簇磁滯回線 當(dāng)鐵磁材料沿著磁滯回線經(jīng)歷磁化→去磁→反向磁化→反向去磁的循環(huán)過程中，由于磁滯效應(yīng)，要消耗額外的能量，并且以熱量的形式耗散掉。這部分因磁滯效應(yīng)而消耗的能量，叫做磁滯損耗。一個循環(huán)過程中單位體積磁性材料的磁滯損耗正比于磁滯回線所圍的面積。在交流電路中磁滯損耗是十分有害的，必須盡量減小。要減小磁滯損耗就應(yīng)選擇磁滯回線狹長、包圍面積小的鐵磁材料。如圖2所示，工程上把磁滯回線細(xì)而窄、矯頑力很小[~1安培/米（10-2奧斯特）]的鐵磁材料稱為軟磁材料；把磁滯回線寬、矯頑力大[~104—106安培/米（102—104奧斯特）]的鐵磁材料稱為硬磁材料。軟磁材料適合做繼電器、變壓器、鎮(zhèn)流器、電動機和發(fā)電機的鐵芯。硬磁材料則適合于制造許多電器設(shè)備（如電表、揚聲器、電話機、錄音機）中的永磁體。 3）基本磁化曲線和磁導(dǎo)率 未磁化狀態(tài)的鐵磁材料，在交變磁化場作用下由弱到強依次進(jìn)行磁化的過程中，可以測出面積由小到大的一簇磁滯回線，如圖3所示。這些磁滯回線頂點的連線叫做鐵磁材料的基本磁化曲線。 圖4 基本磁化曲線與μ～曲線曲線 根據(jù)基本磁化曲線可以近似確定鐵磁材料的磁導(dǎo)率。從基本磁化曲線上一點到原點O連線的斜率定義為該磁化狀態(tài)下的磁導(dǎo)率。由于磁化曲線不是線性的，當(dāng)由0開始增加時，也逐步增加，然后達(dá)到一最大值。當(dāng)再增加時，由于磁感應(yīng)強度達(dá)到飽和，開始急劇減小。隨的變化曲線如圖4所示。磁導(dǎo)率μ非常高是鐵磁材料的主要特性，也是鐵磁材料用途廣泛的主要原因之一。 2、動態(tài)磁滯回線的測量方法 測 量 線 圈 n 勵 磁 線 圈 N 圖5 待測鐵磁材料樣品示意圖 實驗中用交變勵磁電流產(chǎn)生磁化場對不同性能的鐵磁材料進(jìn)行磁化，測繪動態(tài)磁滯回線和基本磁化曲線。如圖5所示，待測鐵磁材料樣品做成“曰”型，為勵磁線圈，是為測量磁感應(yīng)強度而設(shè)置的探測線圈。動態(tài)磁滯回線測量電路原理圖如圖6所示，為測量勵磁電流的取樣電阻，、組成測量磁感應(yīng)強度的積分電路。 圖6 磁滯回線測量電路原理圖 C 2 20m XY 雙蹤示波器 1）磁場強度的測量 設(shè)通過匝勵磁線圈的交流勵磁電流為，為樣品的平均磁路長度，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品中的磁場強度。因為，U1為R1的端電壓，所以有 （1） 上式說明，根據(jù)已知的、、，只要測出，即可確定。 如果接入示波器的X輸入，則示波器熒光屏上電子束水平偏轉(zhuǎn)的大小與樣品中的磁場強度成正比。 2）磁感應(yīng)強度的測量 在交變磁場作用下樣品中磁感應(yīng)強度的測量是通過探測線圈和、組成的積分電路實現(xiàn)的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中磁通的變化在匝數(shù)為n的探測線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為，即。因，為樣品的截面積，于是 （2） 忽略自感電動勢和電路損耗，回路方程為，式中是感生電流，為積分電容兩端的電壓。設(shè)在時間內(nèi)，向電容充電電量為，則，所以有。如果選取足夠大的和，使>>，則有。又因為，所以 （3） 由（2）、（3）兩式可得 （4） 上式說明，已知、、、后，測量即可確定。 如果接入示波器的Y輸入，則示波器熒光屏上電子束垂直偏轉(zhuǎn)的大小與樣品中的磁感應(yīng)強度成正比。 3）B～H曲線的示波器顯示 根據(jù)上述H和B的測量原理可知，當(dāng)接入示波器的X輸入、接入示波器的Y輸入時，在勵磁電流變化的一個周期內(nèi)，示波器的光點描繪出一個完整的磁滯回線。每個周期都重復(fù)這一過程，這樣在示波器的熒光屏上就會觀察到一個穩(wěn)定的磁滯回線圖形。 圖7 出現(xiàn)畸變的磁滯回線 實驗內(nèi)容 1、連接測量線路 選擇測試樣品1，按照圖6正確連接實驗線路，調(diào)整好雙蹤示波器。 2、測繪磁滯回線 1）樣品退磁 打開實驗儀電源，對樣品退磁。順時針方向轉(zhuǎn)動勵磁電壓“U選擇”旋鈕，使U從0增加到3V，然后逆時針方向轉(zhuǎn)動旋鈕，將U從３Ｖ降至0。退磁的目的是使樣品處于磁中性狀態(tài)，即＝0，＝0。 2）觀察磁滯回線 調(diào)節(jié)示波器各旋鈕使光點處于坐標(biāo)原點，選擇（測試儀中的默認(rèn)值），勵磁電壓從0逐漸增加，調(diào)節(jié)示波器的Ｘ軸和Ｙ軸靈敏度，使屏幕上顯示大小合適的磁滯回線。若出現(xiàn)如圖7所示的畸變，可適當(dāng)降低。注意觀察磁滯回線的變化情況，正確判斷出樣品達(dá)到磁化飽和狀態(tài)的磁滯回線（磁滯回線的面積不再隨U的增加而變大）。 3）測繪磁滯回線 當(dāng)示波器上顯示磁飽和時的磁滯回線后，使用智能磁滯回線測試儀采集和的數(shù)據(jù)，并記錄磁滯損耗和40組左右的、數(shù)據(jù)，注意每個象限選取約10數(shù)據(jù)點。用坐標(biāo)紙或計算機畫出磁滯回線，從圖上讀出飽和磁感應(yīng)強度、飽和磁場強度和矯頑力。確定所測樣品是軟磁材料還是硬磁材料。 3、測繪基本磁化曲線和～曲線 按照上述樣品退磁方法對樣品重新退磁，依次測定勵磁電壓＝０.5、１.0、……、３.0V時各磁滯回線所對應(yīng)的和的最大值（即磁滯回線的頂點），用坐標(biāo)紙或計算機畫出樣品的基本磁化曲線。計算對應(yīng)的磁導(dǎo)率，作～曲線。 4、選擇樣品2，重復(fù)上述實驗內(nèi)容1～3。比較樣品1和樣品2的磁化特征，分析鐵磁材料的磁化特性。為了便于比較，樣品1和樣品2的同一類型的曲線（如磁滯回線）畫在同一個圖上。 思考題 1、簡要說明鐵磁材料基本磁化曲線和磁滯回線的主要特性。 2、什么是軟磁材料？什么是硬磁材料？舉例說明軟磁材料和硬磁材料的應(yīng)用。 3、本實驗中在基本磁化曲線和磁滯回線的測量過程中，都是作—曲線，操作步驟的主要區(qū)別是什么？ 參考文獻(xiàn) 1、丁慎訓(xùn)、張連芳. 物理實驗教程. 北京：清華大學(xué)出版社，2002年. 2、任隆良、谷晉騏. 物理實驗. 天津：天津大學(xué)出版社，2003年. 3、賈玉潤、王公治、凌佩玲. 大學(xué)物理實驗. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1987年. 4、王惠棣、柴玉瑛、邱爾瞻等. 物理實驗. 天津：天津大學(xué)出版社，1989年. 5、趙覬華、陳熙謀. 電磁學(xué). 北京：人民教育出版社，1978年. 6、杭州天科技術(shù)實業(yè)有限公司. TH/KH-MHC型智能磁滯回線實驗儀.