鐵磁材料的磁滯回線和基本磁化曲線.doc

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物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)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(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 座位號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1、掌握用磁滯回線測(cè)試儀測(cè)繪磁滯回線的方法。 2、了解鐵磁材料的磁化規(guī)律，用示波器法觀察磁滯回線比較兩種典型鐵磁物質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化特性。 3、測(cè)定樣品的磁化特性曲線（B-H曲線），并作μ-H曲線。 4、測(cè)繪樣品在給定條件下的磁滯回線,估算其磁滯損耗以及相關(guān)的Hc、BR、BM、H、B等參量。 二、實(shí)驗(yàn)原理： 1、鐵磁材料的磁滯特性 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(chǎng)作用下能被強(qiáng)烈磁化，故磁導(dǎo)率μ很高。另一特征是磁滯，即磁化場(chǎng)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(qiáng)度B與磁化場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。 圖中的原點(diǎn)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(chǎng)H從零開(kāi)始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段Oa所示，繼之B隨H迅速增長(zhǎng)，如ab所示，其后B的增長(zhǎng)又趨緩慢，并當(dāng)H增至HS時(shí)，B到達(dá)飽和值HS，OabS稱為起始磁化曲線。圖1表明，當(dāng)磁場(chǎng)從HS逐漸減小至零，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到“O”點(diǎn)，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(shí)，B不為零，而保留剩磁Hr。 當(dāng)磁場(chǎng)反向從O逐漸變至－HD時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B消失，說(shuō)明要消除剩磁，必須施加反向磁場(chǎng)，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(chǎng)按HS→O→HD→-HS→O→HD→HS次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B則沿閉合曲線SRDSRS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(chǎng)中時(shí)（如變壓器中的鐵芯），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(guò)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。 當(dāng)初始態(tài)為H＝B＝O的鐵磁材料，在交變磁場(chǎng)強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次進(jìn)行磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線，如圖2所示，這些磁滯回線頂點(diǎn)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μ=BH，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(duì)磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)，這一特點(diǎn)是它用途廣泛的主要原因之一。 可以說(shuō)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(jiàn)的兩種典型的磁滯回線，其中軟磁材料的磁滯回線狹長(zhǎng)、矯頑力、剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、電機(jī)、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(qiáng)，可用來(lái)制造永磁體。 2、測(cè)繪磁滯回線原理 觀察和測(cè)量磁滯回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。（TH/KH-MHC型磁滯實(shí)驗(yàn)儀器板） 圖5 實(shí)驗(yàn)線路 待測(cè)樣品為EI型矽鋼片,N為勵(lì)磁繞組，n為用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B而設(shè)置的繞組。R1為勵(lì)磁電流取樣電阻，設(shè)通過(guò)N的交流勵(lì)磁電流為i，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場(chǎng)強(qiáng) L為樣品的平均磁路 （1） (1)式中的N、L、R1均為已知常數(shù)，所以由U1可確定H。 在交變磁場(chǎng)下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)值B是測(cè)量繞組n和R2C2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(cè)量線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)的大小為 (2) 式中S為樣品的截面積。如果忽略自感電動(dòng)勢(shì)和電路損耗，則回路方程為 式中i2為感生電流，UB為積分電容C兩端電壓,設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)，i2向電容C2的充電電量為Q，則 如果選取足夠大的R2和c2，使i2R2>>Q/c2，則 (3) 由（2）、（3）兩式可得 B=C2R2nsU2 （4） 上式中C、R2、n和S均為已知常數(shù)。所以由U2可確定B 綜上所述，將圖5中的U1和U2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U1和U2加到測(cè)試儀的信號(hào)輸入端可測(cè)定樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩磁Br、矯頑力HD、磁滯損耗BH以及磁導(dǎo)率等參數(shù)。 三、實(shí)驗(yàn)儀器： TH-MHC型智能磁滯回線測(cè)試儀、示波器 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟： 1、路連接：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O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。 2、樣品退磁：開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對(duì)試樣進(jìn)行退磁，即順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)“U選擇”旋鈕，令U從0增至3V，然后逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)啟示波器電源，令光點(diǎn)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(shí)可降低勵(lì)磁電壓U予以消除）。 4、觀察基本磁化曲線，按步驟2對(duì)樣品進(jìn)行退磁，從U＝0開(kāi)始，逐檔提高勵(lì)磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大一個(gè)套一個(gè)的一簇磁滯回線。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線就是樣品的基本磁化曲線，借助長(zhǎng)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(cè)繪μ－H曲線：仔細(xì)閱讀測(cè)試儀的使用說(shuō)明，接通實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀之間的連線。開(kāi)啟電源，對(duì)樣品進(jìn)行退磁后，依次測(cè)定U＝0.5，1.0…3.0V時(shí)的十組Hm和Bm值，作μ～H曲線。 7、令U＝3.0V，R1＝2.5Ω測(cè)定樣品1的Bm, Br, H0,BH,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，并估算曲線所圍面積。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理： 1、基本磁化曲線及μ-H曲線 L=60mm N=50T n=150T S=80mm2 R2=10.0KΩ C2=20μF R1=2.5Ω U(V) U1(H)/V U2(B)/V H/104A?m-1 B/102T μ(=BH)/(Hm) 0.5 0.300 0.100 0.0010 0.00017 0.1700 1.0 0.500 0.248 0.0017 0.00041 0.2412 1.2 0.650 0.336 0.0022 0.00056 0.2545 1.5 0.900 0.420 0.0030 0.00070 0.2333 1.8 1.180 0.500 0.0039 0.00083 0.2128 2.0 1.380 0.540 0.0046 0.00090 0.1957 2.2 1.560 0.568 0.0052 0.00095 0.1827 2.5 1.800 0.616 0.0060 0.00103 0.1717 2.8 2.080 0.640 0.0069 0.00107 0.1551 3.0 2.220 0.660 0.0074 0.00110 0.1365 數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如下：其中μ-H圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理。 2、磁滯回線（U=1.8V R1=2.5Ω） 序號(hào) H/104A?m-1 B/102T 序號(hào) H/104A?m-1 B/102T 1 0.0039 0.00083 9 0.0022 0.00053 2 -0.0039 -0.00083 10 -0.0022 -0.00053 3 0 0.00043 11 -0.0010 0.00012 4 0 -0.00043 12 0.0010 -0.00012 5 0.0013 0 13 0.0010 0.00057 6 -0.0013 0 14 -0.0010 -0.00057 7 0.0017 0.00033 15 0.0023 0.00070 8 -0.0017 -0.00033 16 -0.0023 -0.00070 六、誤差分析： 1、實(shí)驗(yàn)是肉眼對(duì)示波器進(jìn)行讀數(shù)，可能會(huì)造成一定的偏差 2、在進(jìn)行磁滯回線的圖形繪制時(shí)，可以盡量多取一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以使圖形畫(huà)得更加的精確。并且，取點(diǎn)時(shí)應(yīng)該注意在每一個(gè)象限內(nèi)都要取點(diǎn)，以保證圖像的準(zhǔn)確性。 七、思考題： 1、如果不退磁，我們做實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么后果？ 答：不退磁將無(wú)法消除剩磁，無(wú)法得到準(zhǔn)確的曲線。 2、示波器顯示的磁滯回線是真實(shí)的H-B曲線嗎？如果不是，為什么可以用它來(lái)描繪磁滯回線？ 答：不是。示波器所顯示的圖形是U1和U2之間的關(guān)系，但是U1和H是線性相關(guān)，U2和B也是線性相關(guān)。所以示波器顯示的圖案可以間接的表現(xiàn)出H-B之間的關(guān)系。 八、附上原始數(shù)據(jù)：