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1、实验19 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线铁磁物质（铁、钴、钢、镍、铁镍合金等）的磁性有两个特点：其一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率很高，而且磁导率随磁化场强度变化；另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态。因而它的磁化规律很复杂。要具体了解某种铁磁材料的磁性，就必须测出它的磁化曲线和磁滞回线。实验目的和学习要求 1. 认识铁磁物质的磁化规律，比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性； 2. 测定样品的基本磁化曲线，作H曲线； 3. 测定样品的HC、Br、Bm和（HmBm）等参数； 4. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。实验原理1起始磁化曲线、基本磁化曲线和磁滞回线图1
2、9-1为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即BHO。当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。图19-1表明，当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当HO时，B不为零，而保留剩磁Br。当磁场反向从O逐渐变至HD时，磁感应强度B消
3、失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。图19-1还表明，当磁场按HSOHD-HSOHDHS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。图19-2 同一铁磁材料的一簇磁滞回线图19-1 铁磁质起始磁化曲线和磁滞回线应该说明，当初始态为HBO的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依
4、次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，要注意的是：反复磁化（HS-HSHS）的开始几个循环内，每一个循环B和H不一定沿相同的路径进行，只有经过十几次反复磁化（称为“磁锻炼”）以后，每次循环的回路才相同，形成一个稳定的磁滞回线。只有经“磁锻炼”后所形成的磁滞回线，才能代表该材料的磁滞性质。图19- 3 铁磁材料与H关系曲线 图 19-4 不同铁磁材料的磁滞回线由于铁磁材料磁化过程的不可逆性具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场H0时，BO；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。如图19-2所示，这些磁滞回线
5、顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率，因B与H非线性，故铁磁材料的不是常数而是随H而变化（如图19-3所示）。铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点使它用途广泛。可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图19-4为常见的两种典型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。2测量磁滞回线和基本磁化曲线观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图19-5所示。图19-5 实验线路待测样品为EI型矽钢片，N为励磁绕组，n为用
6、来测量磁感应强度B而设置的绕组。R1为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为i，根据安培环路定律，样品的磁化场强 L为样品的平均磁路 （19-1）（19-1） 式中的N、L、均为已知常数，所以由可确定H。(19-2) 在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和电路给定的，根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为S为样品的截面积。如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为 式中为感生电流，U2为积分电容C2两端电压。设在t时间内，i2向电容的充电电量为Q，则 如果选取足够大的R2和C2，使，则 (19-3)由（19-2）、（19-3）两式
7、可得 （19-4）上式中C2、R2、n和S均为已知常数。所以由U2可确定B0 综上所述，将图19-5中的U1和U2分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的BH曲线；如将U1和U2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗BH以及磁导率等参数。仪器介绍THMHC型智能磁滞回线测试仪分为实验仪和测试仪两大部分1实验仪配合示波器，即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线。它由励磁电源、试样、电路板以及实验接线图等部分组成。实验接线示意图如图19-6所示图19- 6实验接线示意图 图19-7测试仪面板2测试仪图19-8所示为测试仪原理框图，测试仪
8、与实验仪配合使用，能定量、快速测定铁磁性材料在反复磁化过程中的H和B之值，并能给出其剩磁、矫顽力、磁滞损耗等多种参数。测试仪面板如图19-7所示。测试仪的使用说明：（1）显示磁滞回线采样点H与B的值测试仪上的按键可实现不同功能，每按一次功能键可显示各种事先设定参数，连续按功能键当显示“H.b.test”时，按确认键后，仪器将显示“”，稍后显示“H.b.Good”，表明采样成功，即可进入下一步操作。如显示“BAD”表明系统有误，应查明原因并修复后，按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，重新进行数据采样。连续按两次功能键，将显示：“H.SHOW B.SHOW” 每按二次确认键，将显示曲线上一点的
9、H与B的值（第一次显示采样点的序号，第二次显示出该点H和B之值）。（2）显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br、Hm与Bm、H与B的相位差，先按功能键，再按确认键，再由（4）确定H与B值的倍数代号，即可得到以上各量。（3）如按数位和数据键即可达到改变仪器事先设定的各种参数的功能。（4）当连续按三次功能键即显示H与B值的倍数代号。参照下面给出值。显示点的顺序，是依磁滞回线的第4、1、2和3象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样出错。注意事项 1、如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B的倍数代号等参数，则不必按确认键；如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。
10、 2、按常规操作至（显示H与B的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失，必须重新进行数据采样。3、测试过程中如显示器显示“COU”字符，表示应继续按动功能键。实验内容1电路连接：选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路，并令R12.5，“U选择”置于O位。UH和U2（即U1和U2）分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔为公共端。2 样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为O，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即BH0，如图19-6所示。图19-8 退磁示意图图19-9 U2和B的相位差等 因素
11、引起的畸变3 观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标网格中心，令U2.2V，并分别调节示波器x和y轴的灵敏度，使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线（若图形顶部出现编织状的小环，如图19-8所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。4 观察基本磁化曲线，按步骤2对样品进行退磁，从U0开始，逐档提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线。这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线，借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。5 观察、比较样品1和样品2的磁化性能。6 测绘H曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，接通实验仪和测试仪之间的连线。开启电源，对样品进行退磁后，依次测定U
12、0.5，1.03.0V时的10组Hm和Bm值，作H曲线。7 令U3.0V，R12.5测定样品1的和BH等参数。8. 取步骤7中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制BH曲线（如何取数？取多少组数据？自行考虑），并估算曲线所围面积。数据处理表1 基本磁化曲线与H曲线 U（V）Hm104安/米Bm102特斯拉Bm/Hm享利/米0.51.01.21.51.82.02.22.52.83.0 表2.B-H曲线 HD= Br= Bm= BH=NOH104A/mB102TNOH104A/mH102TNOH104A/mB102T表3 磁滞回线实验数据记录U（V）UHCUBCHcBrAHmBm相位差0.51.01.21.51.82.02.22.52.83.0思考题1 怎样使样品完全退磁，即如何使其处在H=0，B=0点上？2 什么是磁化过程的不可逆性？要得到正确的磁滞回线，最重要的应该注意什么问题？