实验十二 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线一、实验目的1．认识铁磁质的磁化规律，比较两种典型的铁磁质的动态磁特性。
2．测定样品的基本磁化曲线，作μr －H 曲线。
3．测定样品的H D 、B r 、B m 和[H ·B]max 等参数。
4．测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。
二、实验原理1．铁磁物质及其磁滞曲线根据介质在磁场中的表现，一般将磁介质分为顺磁质、抗磁质和铁磁质。
设想在真空中（没有磁介质时）有一磁场的磁感应强度是B0，其大小是B 0，将磁介质放入这个磁场中，若磁介质中的磁感应强度比B 0小一点，那末这个介质是抗磁质；若磁介质中的磁感应强度比B 0大一点，那末这个介质是抗磁质；若磁介质中的磁感应强度比B 0大得多，甚至数百数万倍的增长，那末这个介质是铁磁质。
实验表现是铁磁质移近磁极时被吸住，顺磁质稍微有被磁极吸引，而抗磁质反而被磁极稍微推开。
下表是一些材料的相对磁导率，根据相对磁导率很容易区分顺磁质、抗磁质和铁磁质。
铁磁质材料包含铁、钴、镍、某些稀有金属及其众多合金以及它们的许多氧化物的混合物（铁氧体）等。
铁磁质是一种性能特异、用途广泛的材料，我们一般情况提到磁介质均指铁磁质。
其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，磁导率μ很高；另一特征是磁滞，即磁化场消失后，介质仍保留磁性，即有剩磁。
图1为铁磁质的磁感应强度B 与磁化场强度H 之间的关系曲线。
图1 铁磁质的B －H 关系曲线 图2 铁磁质的μ－H 关系曲SS线图1中的原点O表示磁化之前铁磁质处于磁中性状态，即B＝H＝0，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H S时，B到达饱和值B S，OabS称为起始磁化曲线。
（注意：这里说的饱和值B S，并不是说B的最大值。
其实在达到B S后磁感应强度B仍然在随磁化场强度H变化，这时的B－H关系几乎是线性的。
定义M＝B/μ0－H为磁化强度，则在B到达饱和值B S后，磁化强度M是几乎不变的，达到饱和磁化强度M S。
饱和磁化强度M S以及如图2所示的起始磁导率μI、最大磁导率μM是研究软磁材料的三个重要参量。
）当磁场从H S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SQ下降，比较线段OS和SQ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H＝0时，B不为零，而保留剩磁Br。
当磁场反向从O逐渐变至－H C时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，H C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QC称为退磁曲线。
当磁场按H S→O→H C→－H S→O→H C→H S次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SQCS'Q'C'S变化，这闭合曲线称为磁滞回线。
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，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。
应该说明，当初始态为H＝B＝0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，如图3所示，这些磁滞回线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＝B/H，因B与H非线性，故铁磁材料的μ不是常数而是随H而变化（如图2所示）。
铁磁材料的相对磁导率μr＝μ/μ0可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛的主要原因之一。
磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的重要依据，图4为常见的典型磁滞回线。
其中磁滞回线狭长，矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小的软磁材料，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。
（参照图5）对于硬磁材料来说，[H·B]max值是一个重要参量，这个值越大越适应于制作永磁体。
对于要求磁感应强度相同的情况，用[H·B]max值大的磁介质可以节省很多材料，它也是永磁体质量好坏的重要标志。
图3图4 典型铁磁性物质的磁滞回线图5铁磁性物质属强磁性材料，它在电工设备和科学研究中的应用非常广泛，按它们的化学成分和性能的不同，可以分为金属磁性材料和非金属磁性材料（铁氧体）两大族。
金属磁性材料还可分为硬磁、软磁和压磁材料等。
实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状有很大差异。
图4给出三种不同铁磁材料的磁滞回线，其中软磁材料的面积最小；硬磁材料的矫顽力较大，剩磁也较大；而铁氧体材料的磁滞回线则近似于矩形，故亦称矩磁材料。
软磁材料的特点是相对磁导率μr 和饱和磁感强度B max 一般都比较大，但矫顽力H c 比硬磁质小得多，磁滞回线所包围的面积很小，磁滞特性不显著。
软磁软磁 软磁软磁 硬磁 矩磁材料在磁场中很容易被磁化，而由于它的矫顽力很小，所以也容易去磁。
因此，软磁材料是很适宜于制造电磁铁、变压器、交流电动机、交流发电机等电器中的铁心。
硬磁材料又称永磁材料，它的特点是剩磁B r和矫顽力H c都比较大，磁滞回线所包围的面积也就大，磁滞特性非常显著。
所以把硬磁材料放在外磁场中充磁后，仍能保留较强的磁性，并且这种剩余磁性不易被消除，因此硬磁材料适宜于制造永磁体。
在各种电表及其他一些电器设备中，常用永磁铁来获得稳定的磁场。
压磁材料具有强的磁致伸缩性能。
所谓磁致伸缩是指铁磁性物体的形状和体积在磁场变化时也会发生变化，特别是改变物体在磁场方向上的长度。
当交变磁场作用在铁磁性物体上时，它随着磁场的强弱变化伸长或缩短，如钴钢是伸长，而镍则缩短。
不过长度的变化是十分微小的，约为其原长的l/100000。
磁致伸缩在技术上有重要的应用，如作为机电换能器用于钻孔、清洗，也可作为声电换能器用于探测海洋深度、鱼群等。
非金属磁性材料铁氧体，是一族化合物的总称，它由三氧化二铁（Fe2O3）和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO，MnO等）的粉末混合烧结而成。
铁氧体的特点是不仅具有高磁导率，而且有很高的电阻率。
它的电阻率约在104～1011mΩ，比金属磁性材料的电阻率（约为10⋅Ω之间，有的则高达1014m⋅－7mΩ）要大得多，所以铁氧体的涡流损失小，常用于高频技术中。
在电子计⋅算机中就是利用矩磁铁氧体的矩形回线特点作为记忆元件的。
利用正向和反向两个稳定状态可代表“0”与“1”，故可作为二进制记忆元件。
此外，电子技术中也广泛利用铁氧体作为天线和电感中的磁心。
实际上铁磁质磁化的规律远比上面描述的要复图6杂得多。
上述磁滞回线只是外场的幅值足够大时形成的最大磁滞回线。
如果外场在上述循环过程的中途，H 变化方向略有波动，例如在图6中当介质的磁化状态到达P 点时，负方向的外场由增加改为减小，这时介质的磁化状态并不沿原路折回，而是沿着一条新的曲线PQ 移动。
当介质的磁化状态到达Q 点后，若外场的变化方向又改变，介质的磁化状态也不沿原来途径返回P 点，而是在PQ 之间形成一个小的磁滞回线。
如果外场的数值在这小范围内往复变化（即在一定的直流偏场上迭加一个小的交流讯号），介质的磁化状态便沿着这小磁滞回线循环。
类似这样的小磁滞回线，到处都可以产生。
当我们研究一个磁性材料的起始磁化特性时，需要首先使之去磁，亦即令其磁化状态回到B －H 图中的原点O 。
为此我们必须使外场在正负值之间反复变化，同时使它的幅值逐渐减小，最后到O 。
这样才能使介质的磁化状态沿着一次比一次小的磁滞回线，最后回复到未磁化状态O 点（如图7所示）。
实际的作法是：将样品放在交流磁场中，然后抽出即可。
从实验中还知道，铁磁质的磁化和温度有关。
随着温度的升高，它的磁化能力逐渐减小，当温度升高到某一温度时，铁磁性就完全消失，铁磁质退化成顺磁质，这个温度叫做居里温度或叫居里点。
这是因为铁磁质中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而遭破坏，磁畴也就瓦解了，铁磁质的铁磁性消失，过渡到顺磁质，从实验知道，铁的居里温度是1043K ，78%坡莫合金的居里温度是580K ，30％坡莫合金的居里温度是343K 。
图7 退磁过程的磁滞回线2．磁滞回线测量实验原理观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路原理图如图8所示。
图8 磁滞回线测量仪器实验原理图待测样品为H 1型矽钢片，N 为励磁绕组，n 为用来测量磁感应强度B 而设置的绕组。
R 1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NI/L H = L 为样品的平均磁路∵ I ＝U 1 / R 1∴ 11U LR N H ⋅= （1） （1）式中的N 、L 、R 1均为已知常数，所以由U 1可确定H 。
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R 2C 2电路给定的。
根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通φ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为dt d φnε2= dt εn 1φ2⎰=dt εnS1S φB 2⎰==（2） S 为样品的截面积如果忽略自感电动势和电路损耗，则回比方程为2222U R I ε+=式中I 2为感生电流，U 2为积分电容C 2两端电压设在t ∆时间内，I 2向电容C 2的充电电量为Q ，则U 2＝Q/C 2∴ 2222Q /C R I ε+=如果选取足够大的R 2和C 2，使222Q/C R I >>，则222R I ε=∵ dtdU C dt dQ I 222==∴ dt dU R C ε2222= （3） 由（2）、（3）两式可得222U nSR C B = （4） 上式中C 2、R 2、n 和S 均为已知常数。
所以由U 2可确定B 。
综上所述；将图8中的U 1和U 2分别加到示波器的“X 输入”和“Y 输入”便可观察样品的B －H 曲线；如将U 1和U 2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度B S 、剩磁B r 、矫顽力H C 、磁滞损耗[BH]以及磁导率μ等参数。
三、实验仪器及其使用方法实验使用杭州天煌生产的磁滞回线测试仪和磁滞回线实验仪，还要用到双踪示波器。
图9是磁滞回线测试仪的面板图，图10、图11分别是磁滞回线实验仪的电路图和面板接线图。
图9 磁滞回线测试仪面板图图10 磁滞回线实验仪电路图图11 磁滞回线实验仪面板接线图参照磁滞回线实验仪电路图10，将实验仪面板上的插线孔按面板接线图11上的虚线连接起来，将样品退磁后，就可以按照下面的介绍用磁滞回线测试仪进行测量了。
测试仪初始参数（即默认参数）：L 待测样品平均磁路长度L＝60mmS 待测样品横截面积S＝80mm2N 待测样品励磁绕组匝数N＝50n 待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数n＝150R1励磁电流I H取样电阻R1＝0.5～5ΩR2积分电阻R2＝10kΩC2积分电容C2＝10μfU HC正比于H的有效电压，供调试用。
