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1、南京理工大学材料科学与工程系2实验原理 1)磁滞回线图图1 铁磁质起始磁化铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线曲线和磁滞回线图图2 同一铁磁材料的同一铁磁材料的 一簇磁滞回线一簇磁滞回线图图3 铁磁材料铁磁材料与与H关系曲线关系曲线第1页/共24页南京理工大学材料科学与工程系 当磁场按HsO-HD-HsOHDHs次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDSRDS变化，这闭合曲线称为磁滞回线。2)磁化曲线 当初始态为HB0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，其中最大面积的磁滞回线称为极限磁滞回线，如图2所示，这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料
2、的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率=B/H，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3所示）第2页/共24页南京理工大学材料科学与工程系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磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。图图4 不同铁磁材料不同铁磁材料的磁滞回线的磁滞回线 第3页/共24页南京理工大学材料科学与工程系 3)示波器显示B-H曲线的原理和线路图5 实验线路 第4页/共24页南京理工大学材料科学与工程
3、系根据安培环路定律，样品的磁化场强为：式中N为励磁绕组，R1为励磁电流取样电阻，U1是交流励磁电压，为样品的平均磁路长度。根据法拉第电磁感应定律，在交变磁场下样品的磁感应强度B是测量绕组n和R2C2电路给定的：式中U2为积分电容C2两端电压，S为样品的截面积。第5页/共24页南京理工大学材料科学与工程系3实验仪器磁滞回线实验仪、数字万用表、示波器等。将图5中的U1(UH)和U2(UB)分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的动态磁滞回线；接上数字电压表则可以直接测出U1(UH)和U2(UB)的值，即可绘制出B-H曲线；通过计算可测定样品的饱和磁感应强度Bs、剩磁Br、矫顽力HD以磁
4、导率。第6页/共24页南京理工大学材料科学与工程系4实验内容及步骤1)电路连接：选择样品，按实验仪上所给的电路接线图连接好线路。令R12.5，置励磁电压U于0位。UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔“”为接地公共端。2)样品退磁：开启仪器电源开关，对样品进行退磁，顺时针方向转动电压U的调节旋钮，观察数字电压表可看到U从0逐渐增加增至最大，然后逆时针方向转动电压U的调节旋钮，将U逐渐从最大值调为0，这样做的目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即BH0，如图7所示。第7页/共24页南京理工大学材料科学与工程系图图7 退磁示意图退磁示意图 图图8 U2和和B的相位差等因素引起的畸
5、变的相位差等因素引起的畸变3)观察样品在50HZ交流信号下的磁滞回线：开启示波器电源，调节示波器上“X”、“Y”位移旋钮，使光点位于坐标网格中心，调节励磁电压U和示波器的X和Y轴灵敏度，使显示屏上出现大小合适、美观的磁滞回线图形（若图形顶部出现编织状的小环，如图8所示，这时可降低U予以消除）。第8页/共24页南京理工大学材料科学与工程系4)观察基本磁化曲线：按步骤2对样品进行退磁，从U=0开始，逐渐提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一蔟磁滞回线。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)测绘基本磁化曲线，并据此描绘-H曲线
6、：接通实验仪的电源，对样品进行退磁后，依次测定 U=0，0.2，0.4，0.63.0V时的若干组H和B值，作B-H和-H曲线。6)令U=3.00V，R12.5测定样品的BS、Br、HD等参数：从已标定好的示波器上读取UX(UH)、UY(UB)值（峰值），计算相应的H和B，逐点描绘作B-H曲线。再由磁滞回线测定样品的BS、Br、HD等参数。第9页/共24页南京理工大学材料科学与工程系5实验数据记录1)作B-H基本磁化曲线与-H曲线2)描绘动态磁滞回线并计算样品的BS、Br、HD参数。6思考题1)为什么要退磁？如果不退磁，对实验结果会有什么影响？2)为什么测绘磁滞回线时，励磁电压不宜过高或过低？第
7、10页/共24页南京理工大学材料科学与工程系实验二 铁磁相变和居里温度的直接观测1实验目的1)了解铁磁物质在居里温度点由铁磁物质（铁磁相）转变为顺磁物质（顺铁磁相）的相变过程微观机理。2)测定铁磁材料样品的居里温度。第11页/共24页南京理工大学材料科学与工程系2实验原理由于外加磁场的作用，物质中状态发生变化，产生新的磁场的现象称为磁性。物质的磁性可分为反铁磁性（抗磁性）、顺磁性和铁磁性三种，一切可被磁化的物质叫做磁介质，在铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦合”作用，在无外磁场的情况下，它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域，称为磁畴。在未经磁化
8、的铁磁质中，虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向，有很大的磁性，但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。图1和图2分别是加磁场前后的多晶磁畴结构。第12页/共24页南京理工大学材料科学与工程系图1 未加磁场多晶磁畴结构图2 加磁场时多晶磁畴结构第13页/共24页南京理工大学材料科学与工程系当铁磁质处于外磁场中时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向；另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小，这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列好，介质的
9、磁化就达到饱和。由于在每个磁畴中元磁矩已完全排列整齐，因此具有很强的磁性，这就是为什么铁磁质的磁性比顺磁质强得多的原因。介质里的掺杂和内应力在磁化场去掉后阻碍磁畴恢复到原来的退磁状态，从而造成磁滞现象。第14页/共24页南京理工大学材料科学与工程系铁磁性是与磁畴结构分不开的。当铁磁体受到强烈的震动，或在高温下由于剧烈运动的影响，磁畴便会瓦解，这时与磁畴联系的一系列铁磁性质（如高磁导率、磁滞等）全部消失。对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度，高过这个温度铁磁性就消失，变为顺磁性，这个临界温度叫做铁磁质的居里点Tc。磁畴的出现或消失，伴随着晶格结构的改变，所以是一个相变过程。居里点和熔点一样，因物
10、质不同而不同，如铁、镍、钴的居里点分别为1043K、631K、1393K。第15页/共24页南京理工大学材料科学与工程系磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M和磁场强度H来描述，它们满足以下关系：B=0(H+M)=(Xm+1)0H=r 0H=H式中，0410-7亨利/米为真空磁导率，Xm为磁化率，r为相对磁导率，是一个无量纲的系数，为绝对磁导率。对于顺磁性介质，磁化率Xm0，r略大于1；对于抗磁性介质，Xm1，所以 r 1。第16页/共24页南京理工大学材料科学与工程系图3 磁化曲线和-H曲线 图4 -T曲线第17页/共24页南京理工大学材料科学与工程系图3是典型的磁化曲线（B-H曲线）
11、，它反映了铁磁质的共同磁化特点：随着H的增加，开始时B缓慢的增加，此时 较小；而后随H的增加B急剧增大，也迅速增加；最后随H增加，B趋向于饱和，而此时的 值在到达最大值后又急剧减小。图3表明了磁导率 是磁场H的函数。从图4中可看到，磁导率 还是温度的函数，当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态，在曲线突变点所对应的温度就是居里温度Tc。第18页/共24页南京理工大学材料科学与工程系在居里温度Tc以下，对铁磁材料磁化可得到磁滞回线。对磁体加热，磁滞回线收缩。当温度达到Tc时，磁滞回线消失，铁磁相转变为顺磁相。在Tc附近，磁化强度M和温度T的关系可用下式描述：M(T)=K(Tc-T)
12、lnM=lnK+ln(Tc-T)其中的典型值在0.3-0.4之间。第19页/共24页南京理工大学材料科学与工程系3实验仪器磁滞回线实验仪、数字万用表、示波器、加热炉、水银温度计等。4实验内容及步骤1)电路连接：选择样品，按实验仪上所给的电路接线图连接好线路。令R12.5，置励磁电压U于0位。UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔“”为接地公共端。2)样品退磁：开启仪器电源开关，对样品进行退磁，顺时针方向转动电压U的调节旋钮，观察数字电压表可看到U从0逐渐增加增至最大，然后逆时针方向转动电压U的调节旋钮，将U逐渐从最大值调为0，这样做的目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即BH
13、0。第20页/共24页南京理工大学材料科学与工程系3)退磁后，令R12.5，观察样品的在50HZ交流信号下的磁滞回线：开启示波器电源，调节示波器上“X”、“Y”位移旋钮，使光点位于坐标网格中心，调节励磁电压U和示波器的X和Y轴灵敏度，使显示屏上出现大小合适、美观的磁滞回线图形（若图形顶部出现编织状的小环，这时可降低U予以消除），从已标定好的示波器上读取UX(UH)、UY(UB)值（峰值），计算相应的H、B和M。4)用电炉加热样品，并用水银温度计测量温度。磁滞回线随着温度的升高而缩小，在居里温度时，磁滞回线消失，至此直观而清楚的观测了铁磁到顺磁的相变全过程，并测得铁磁材料样品的居里温度Tc。观测5个温度（包括居里温度，此时M0）下的磁滞回线，计算相应的B、H和M，逐点描绘作M-T和lnM-ln(Tc-T)关系曲线，求出。第21页/共24页南京理工大学材料科学与工程系5实验数据记录1)作M-T关系曲线2)作lnM-ln(Tc-T)关系曲线，由lnM=lnK+ln(Tc-T)，求出。6思考题1)永久磁铁是怎样造成的？有哪些办法可以让永久磁铁失去磁性？第22页/共24页南京理工大学材料科学与工程系谢谢！第23页/共24页南京理工大学材料科学与工程系磁性材料实验 感谢您的观看！第24页/共24页