鐵磁材料磁滯回線和基本磁化曲線的測量.doc

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實驗26 鐵磁材料磁滯回線和基本磁化曲線的測量 鐵磁性材料分為硬磁材料和軟磁材料。軟磁材料的矯頑力小于100A/m，常用于電機、電力變壓器的鐵芯和電子儀器中各種頻率小型變壓器的鐵芯。鐵磁材料的磁化過程和退磁過程中磁感應(yīng)強度和磁場強度是非線性變化的，磁滯回線和基本磁化曲線是反映軟磁材料磁性的重要特性曲線。矯頑力、飽和磁感應(yīng)強度、剩余磁感應(yīng)強度、初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率、磁滯損耗等參數(shù)均可以從磁滯回線和基本磁化曲線上獲得，這些參數(shù)是磁性材料研制、生產(chǎn)和應(yīng)用的總要依據(jù)。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)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)磁滯回線。本實驗利用交變勵磁電流產(chǎn)生磁場對不同性能的鐵磁材料進(jìn)行磁化，測繪基本磁化曲線和動態(tài)磁滯回線。 【實驗?zāi)康摹? 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)。 【實驗儀器與用具】 FB310型動態(tài)磁滯回線實驗儀，雙蹤示波器，導(dǎo)線。 【實驗原理】 1．磁性材料的磁化特性及磁滯回線 研究磁性材料的磁化規(guī)律時，一般是通過測量磁化場的磁場強度與磁感應(yīng)強度之間的關(guān)系來進(jìn)行的。鐵磁性材料磁化時，它的磁感應(yīng)強度要隨磁場強度變化而變化。但是與之間的函數(shù)關(guān)系是非常復(fù)雜的。主要特點如下： （1）當(dāng)磁性材料從未磁化狀態(tài)（=0且=0）開始磁化時，隨的增加而非線性增加由此畫出的曲線稱為起始磁化曲線，如圖3.26.1（O-a）段曲線。起始磁化曲線大致分為三個階段，第一階段曲線平緩，第二階段曲線較陡，第三階段曲線又趨于平緩。最后當(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3.26.1中的點。 圖3.26.1 起始磁化曲線和磁滯回線 （2）磁化過程中材料內(nèi)部發(fā)生的過程是不可逆的，當(dāng)磁場由飽和時的減小至0時，也隨之減小，但并不沿原來的磁化曲線返回，而是滯后于沿另一曲線減小。當(dāng)逐步減小至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)，此時的Br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，稱為矯頑力，對應(yīng)于圖3.26.1中點。 繼續(xù)增加反向磁場至，曲線達(dá)到反向飽和點，磁感應(yīng)強度變?yōu)?。再正向增大由變至，曲線又沿著經(jīng)、又回到點。形成一條閉合曲線，稱為磁滯回線。 （3）如果初始磁化磁場由0開始增加至一小于的值，然后磁場在與之間變化未磁化狀態(tài)的鐵磁性材料，在交變磁化場作用下，也可以得到一條磁滯回線。但是這條磁滯回線是不飽和的。磁場由弱到強依次進(jìn)行磁化的過程中，可以得到面積由小到大的一簇磁滯回線，如圖3.26.2所示，將這些磁滯回線的頂點連起來，就得到基本磁化曲線，如圖3.26.2中所示，它與起始磁化曲線是不同的。 磁導(dǎo)率。由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3.26.3所示。磁導(dǎo)率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。 圖3.26.2 磁滯回線和基本磁化曲線 圖3.26.3 磁導(dǎo)率曲線 （4）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。材料磁化，磁感應(yīng)強度變化時，磁場對單位體積磁性材料做功為，磁場變化一個周期，磁場做功為，所以一個循環(huán)過程中的磁滯損耗正比于磁滯回線所圍的面積。 磁滯損耗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3.26.4所示，工程上把磁滯回線細(xì)而窄、矯頑力很小的鐵磁材料稱為軟磁材料；把磁滯回線寬、矯頑力大的鐵磁材料稱為硬磁材料。 圖3.26.4 軟磁材料（左）和硬磁材料（右） （5）磁滯回線和各種磁化曲線都與交流磁場的頻率有關(guān)。在進(jìn)行動態(tài)測量，初級線圈需要通過交流點，對于工作在50Hz工頻的硅鋼片，可以用變壓器將220V市電降壓后使用，對其他頻率的測量，可以用專用電源或帶有功率輸出的信號發(fā)生器作為勵磁電源。 2．動態(tài)磁滯回線的測量原理 在各種電器的鐵芯中軟磁材料大多形成閉合磁路，所以采用閉合樣品進(jìn)行測量與實際應(yīng)用場合復(fù)合最好，如圖3.26.5所示，在環(huán)形樣品上繞匝初級線圈和匝次級線圈。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。 （1）磁場強度的測量 當(dāng)初級線圈里通過勵磁電流時，就在磁環(huán)中產(chǎn)生磁場，根據(jù)安培環(huán)路定理其磁場強度可表示為 （3.26.1） 式中為被測樣品的平均周長，是與初級線圈串聯(lián)的電阻，表示兩端的電壓。由式（3.26.1）可知，已知的、、，只要測出，即可確定的大小。 圖3.26.5 動態(tài)磁滯回線測量電路原理圖 （2）磁感應(yīng)強度的測量 由于樣品被磁化后產(chǎn)生變化的磁通量，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在匝數(shù)為的次級線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為 （3.26.2） 式（3.26.2）中為環(huán)狀樣品的截面積，于是次級線圈中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的大小為 （3.26.3） 由式（3.26.3）可知，只有對次級線圈中的感生電動勢積分才能得到值，而和組成的積分電路可以實現(xiàn)對的積分。 忽略自感電動勢和電路損耗，次級線圈組成的回路方程為 （3.26.4） 式（3.26.4）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 （3.26.5） 如果選取足夠大的和，使，則有 （3.26.6） 又因為，所以 （3.26.7） 將式（3.26.7）代入（3.26.2）中，并且只考慮數(shù)值而不考慮符號，可得 （3.26.8） 由式（3.26.8）可知，已知、、和后，只要測量，即可確定的大小。 （3）示波器的電壓定標(biāo) 綜上所述，測量和可以通過間接測量和得到，將和分別輸入示波器的X輸入和Y輸入端，即接CH1通道，接CH2通道，就可以在示波器上看到磁滯回線。和的電壓值與示波器熒光屏上電子束水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)的大小成正比。設(shè)X輸入的靈敏度為伏/格，Y輸入的靈敏度為伏/格，則有 ， （3.26.9） 、為電子束在X,Y方向測量的坐標(biāo)值。 3．FB310型磁滯回線實驗儀簡介 本實驗采用FB310型磁滯回線實驗儀進(jìn)行測量，儀器實物及面板圖如圖3.26.6所示。該實驗儀由測試樣品、功率信號源、可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容和接口電路等組成。測試樣品有兩種，一種是磁滯損耗較小的軟磁材料；另一種是滯損耗較大的硬磁材料。信號源的頻率在20～200Hz間可調(diào)，磁化電流采樣電阻R1在0.1～11Ω范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，積分電阻R2在1～110kΩ范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，積分電容C的可調(diào)范圍為0.1μF～11μF。樣品的平均周長=0.06m，環(huán)狀樣品的截面積為8*10-5 m2，初級線圈匝數(shù)為=50匝，次級線圈匝數(shù)=3=150匝。 圖3.26.6 FB310型磁滯回線實驗儀及面板圖 【實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄】 1．軟磁材料（樣品1）的基本磁化曲線和磁滯回線觀察與測量 （1）儀器的連接 使用專用接線接通樣品1的初級和次級線圈。接通示波器和FB310型磁滯回線實驗儀電源，將示波器光點調(diào)至顯示屏中心，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器輝度，以免熒光屏中心受損。逆時針 調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，使信號輸出最小。調(diào)節(jié)示波器的工作方式為“X-Y”方式，示波器X輸入為AC方式，Y輸入選擇為DC方式。調(diào)節(jié)實驗儀頻率調(diào)節(jié)旋鈕，頻率顯示窗顯示50.00Hz。預(yù)熱10分鐘后開始測量。 （2）儀器的調(diào)試 單調(diào)增加勵磁電流，即緩慢順時針調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上值緩慢增加，最后達(dá)到飽和。改變示波器上X、Y輸入增益旋鈕，并鎖定增益電位器（順時針旋轉(zhuǎn)到底），調(diào)節(jié)、和，使示波器上顯示典型美觀的磁滯回線。磁化電流在水平方向的讀數(shù)為（-5，+5）格。此后，保持示波器上X、Y輸入增益旋鈕和、值固定不變，以便進(jìn)行、的測量。 單調(diào)減小勵磁電流進(jìn)行退磁，即緩慢逆時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，直到示波器最后顯示為一點，位于顯示屏的中心，即X和Y軸線的交點，如不在中間，可調(diào)節(jié)示波器的X和Y“位移”旋鈕。（實驗中可用示波器X、Y輸入的接地開關(guān)檢查示波器的中心是否對準(zhǔn)屏幕X、Y坐標(biāo)的交點。） （3）基本磁化曲線的測量 單調(diào)增加磁化電流，即緩慢順時針調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使磁滯回線頂點在X方向讀數(shù)分別為0，0.20，0.40，0.60，…，4.80，5.00格，記錄磁滯回線頂點在Y方向上讀數(shù)，將數(shù)據(jù)記錄于表3.26.1中。 表3.26.1 基本磁化曲線測量數(shù)據(jù)記錄表 X（格） 0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 Y（格） X（格） 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 3.60 Y（格） X（格） 3.80 4.00 4.20 4.40 4.60 4.80 5.00 Y（格） （4）飽和磁滯回線測量 當(dāng)示波器顯示的磁滯回線的頂點在X方向上讀數(shù)為（-5.00，+5.00）格時（即在飽和狀態(tài)），記錄磁滯回線在X坐標(biāo)分別為-5.00，-4.50，、-4.00，-3.50，…，3.50，4.00，4.50，5.00格時，相對應(yīng)的Y坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)記錄于表3.26.2中。 表3.26.2 磁滯回線測量數(shù)據(jù) X（格） 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Y1（格） Y2（格） X（格） -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0 Y1（格） Y2（格） 2.硬磁材料（樣品2）的磁化曲線和磁滯回線觀察與測量 測量方法同樣品1類似，建議頻率為50Hz，與樣品1的結(jié)果進(jìn)行比較。 【實驗數(shù)據(jù)處理與誤差】 1．軟磁材料（樣品1）的基本磁化曲線和磁滯回線的繪制 以X為橫坐標(biāo)，以Y為縱坐標(biāo)，利用表3.26.1的實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描出每個對應(yīng)的點，再用平滑線連接所有的點，即可得到基本磁化曲線圖。 為了作圖的準(zhǔn)確性，將表3.26.1中的實驗數(shù)據(jù)輸入新建的Excel電子表格中，如圖3.26.7所示。選中數(shù)據(jù)，單擊“插入”菜單下的“圖表”，在“圖表向?qū)?—步驟之1—圖表類型”中的“標(biāo)準(zhǔn)類型”標(biāo)簽下的“圖標(biāo)類型”窗口列表中選擇“X-Y散點圖”，在“子圖表類型”中選擇“平滑線散點圖”，單擊“完成”按鈕。即可畫出曲線圖，然后單擊鼠標(biāo)右鍵在下拉菜單中，通過“數(shù)據(jù)系列格式”、“圖標(biāo)選項”和“繪圖區(qū)格式”設(shè)置好橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)以及標(biāo)題等標(biāo)注。即可得到圖3.26.8所示的基本磁化曲線圖。 圖3.26.7 數(shù)據(jù)輸入圖 圖3.26.8軟磁材料的基本磁化曲線 磁滯回線的繪制與基本磁化曲線的繪制類似，這里不再重復(fù)。 2. 硬磁材料（樣品2）的基本磁化曲線和磁滯回線的繪制 硬磁材料的基本磁化曲線和磁滯回線的繪制與數(shù)據(jù)處理1類似，這里不再重復(fù)。 【注意事項】 ①測量磁滯回線時，如果、和的阻值選取不合適，磁滯回線曲線將產(chǎn)生畸變。 【思考題】 ①什么叫磁滯回線？測繪磁滯回線和磁化曲線為何要先退磁？ ②怎樣使樣品完全退磁，使初始狀態(tài)在H=0，B=0 點上？ ③為什么用電學(xué)量來測量磁學(xué)量H、B？ ④磁滯回線包圍面積的大小有何意義？ ⑤磁滯回線的形狀隨交流信號頻率如何變化？為什么？