磁化曲线与磁滞回线思考题与体会

实验23 用示波器观察铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线磁性材料应用十分广泛，从永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存储用的磁带、磁盘等材料都采用磁性材料。

基本磁化曲线和磁滞回线反映了磁性材料的主要特征。

通过实验研究这些性质不仅可以掌握用示波器观察、测量磁化曲线和磁滞回线的基本方法，而且还可以从理论和实际应用上加深对磁性材料磁特性的认识。

铁、钴、镍及其众多合金，以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁材料。

铁磁材料分为硬磁和软磁两大类，其根本区别在于剩磁B r 和矫顽力H c 的大小不同。

硬磁材料的磁滞回线宽，剩磁、矫顽力大（达120~20000A/m 以上），因而磁化后，其磁感应强度可长久保留，适宜做永久磁铁。

软磁材料的磁滞回线窄，矫顽力H c 一般小于120A/m ，但磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，因而广泛用于电机、电器和仪表制造等工业部门。

铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料的重要特性，也是设计电磁机构和仪表的重要依据之一。

本实验采用动态法测量磁滞回线。

需要说明的是，用动态法测量的磁滞回线与静态磁滞回线是不同的，动态测量时除了磁滞损耗还有涡流损耗，因此动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积大一些。

另外涡流损耗还与交变磁场的频率有关，所以测量的电源频率不同，得到的B —H 曲线是不同的，这可以在实验中清楚地从示波器上观察到。

【实验目的】1、 掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的主要物理量——矫顽力，剩磁和磁导率的理解；2、学会用示波法测绘基本磁化曲线和磁滞回线。

【实验原理】 1、磁化曲线。

如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质，则磁场将明显增强，此时铁磁物质中的磁感应强度比单纯由电流产生的磁感应强度增大百倍，甚至千倍以上。

铁磁物质内部的磁场强度H 与磁感应强度B 有如下的关系：H B μ=图23—1 磁化曲线和μ—H 曲线 图23—2 起始磁化曲线与磁滞回线–对于铁磁物质而言，磁导率μ并非常数，而是随H 的变化而变化的物理量，即μ＝f (H )，为非线性函数。

一、测量样品之前为什么要退磁？
答：铁磁材料被磁化后，当外磁场强度H减为0后，铁磁材料还保留磁感应强度，称其为铁磁材料的剩磁，只有消除声磁我们在测基本磁化曲线时，对较小的磁场强度H的电压U对应的样品的磁感应强度B才是正确的，才能显示正确的图形。

二、什么叫做初始磁化曲线？
答：当铁磁材料从未磁化状态（H=0且B=0）开始磁化时，B随H的增加而非线性增加。

当H增大到一定值Hm后，B增加十分缓慢或基本不再增加，这时磁化达到饱和状态，称为磁饱和。

达到磁饱和时的Hm和Bm分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度。

B~H曲线称为初始磁化曲线。

三、怎样使样品完全退磁，使初始状态在H＝0，B＝0点上？
答：打开实验仪电源，对样品退磁。

顺时针方向转动励磁电压“U选择”旋钮，使U从0增加到3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从３Ｖ降至0。

退磁的目的是使样品处于磁中性状态，即B＝0，H＝0。

四、什么叫铁刺损耗？
答：当铁磁材料沿着磁滞回线经历磁化→去磁→反向磁化→反向去磁的循环过程中，由于磁滞效应，要消耗额外的能量，并且以热量的形式耗散掉。

这部分因磁滞效应而消耗的能量，叫做磁滞损耗]
[BH。

一个循环过程中单位体积磁性材料的磁滞损耗正比于磁滞回线所围的面积。

实验名称：软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的测量铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类.软磁材料的矫顽力H c 小于100A/m ，常用做电机、电力变压器的铁芯和电子仪器中各种频率小型变压器的铁芯.磁化曲线和磁滞回线是反映铁磁材料磁性的重要特征曲线.矫顽力和饱和磁感应强度B s 、剩磁B r .磁滞损耗P 等参数均可以从磁滞回线和磁化曲线上获得.这些参数是铁磁材料研制、生产、应用是的重要依据.铁磁材料磁化时，其磁感强度随磁场强度的变化非常复杂.有如下特点：1．一块从未被磁化的软磁材料磁化时，当H 由0开始逐渐增加至某最大值H m ，B 也由0开始逐渐增加，由此画出的B -H 曲线o -a 称起始磁化曲线，如图1所示. 起始磁化曲线大致分为三个阶段，第一阶段曲线平缓，第二阶段曲线很陡，第三阶段曲线又变得平缓.最后B 趋于不变，这种现象称为饱和.饱和时的磁感强度称为饱和磁感强度，记做B s .2．磁化过程中材料内部发生的过程是不可逆的，当磁场由饱和时的H m 减小至0，B 并非沿原来的磁化曲线返回，而是滞后于H 的变化.当H =0时，B =B r ，称为剩余磁感应强度.要想使B 为0，就必须施加一反向磁场-H c .H c 称为矫顽力. 继续加大反向磁场至-H m ，曲线到达a '，磁感应强度变为-B s .磁场再由-H m 变至H m ，曲线又回到a ，形成一条闭合曲线，叫磁滞回线.3．如果初始磁化磁场由0开始增加至一小于H m 的值H 1，然后磁场在- H 1与H 1之间变化，也可以得到一条磁滞回线.但这条曲线不是饱和的.逐渐增加磁场至H 2，H 3，H 4，…(H 2<H 3<H 4…)，可以得到一系列磁滞回线.将这些磁滞回线的顶点连起来，就得到基本磁化曲线，如图2所示.H图2 磁滞回线和基本磁化曲线图1 起始磁化曲线和磁滞回线i 1 i 2U xU y N 2 N 1 R 2 隔离变压器示波器R 1220V【实验目的】1．了解有关铁磁性材料性质的知识；2．了解用示波器动态测量软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的原理； 3．学习并体会物理实验方法中的转换测量法；4．掌握用示波器动态测量软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的方法. 【实验器材】(1) GY-4隔离变压器； (2) CZ-2磁滞回线装置；(3) COS5020示波器.【实验原理】软磁材料的样品可做成闭合回路状（如图所示），在样品上绕N 1匝初级线圈和N 2匝次级线圈，初级线圈里通过电流i 1，在样品中产生磁场，其磁场强度为1111x N i N H u l R l== （1） 式中l 是初级线圈所绕样品的平均长度，R 1是与初级线圈串联的电阻，u x 是R 1两端的电压.采用动态测量法，初级线圈里需通过交流电（由隔离变压器提供）.样品被磁化后产生变化的磁通量，进而在次级线圈中产生感应电动势：22d d d d d d BN N S t t tψφε=-=-=- S 是样品的截面积.次级线圈的电压正比于磁感强度B 随时间的变化率，必须积分后才能得到B .积分可由RC 电路来完成，电路中满足条件212R fCπ，忽略次级线圈的内阻后，可得：22y R CB u N S=（2） u y 是电容器两端的电压.由此可见u x 正比于H ，u y 正比于B ，将两信号分分别输入到双通道示波器的x 端和y 端，选择x -y 方式，就可以在示波器上得到间接的磁滞回线.定量测量时，记录每一步磁滞回线的定点坐标，由电压参数得到相应的电压值，再根据(1)、(2)计算对应的B 、H 值，从而可做出基本磁化曲线.在饱和磁滞回线上记录H c 、B s 、B r 的坐标，可算出相应的实验值.【实验内容及步骤】 实验内容：1．在坐标纸上做出基本磁化曲线和饱和磁滞回线. 2．给出H c 、B s 、B r 的实验结果. 步骤：1．正确连接线路，调节示波器，观察磁滞回线的形状.2．将隔离变压器电压调至80V 左右，调整磁滞回线至理想的大小和形状，确定实验所需的两通道电压参数.3．将电压缓慢调至零，实现对样品的退磁，并在示波器上调整坐标原点.4．将磁场由0(电压为0)开始，逐步(电压每10V 变化一步)增加至B 达到饱和，记下每一步磁滞回线定点的坐标.5．在饱和磁滞回线上记录H c 、B s 、B r 的坐标，测量时应在>0、<0两点进行测量，取平均值.【数据记录】表1 软磁材料基本磁化曲线绘制的测量数据两通道电压参数： X_____________ Y_____________表2 H c 、B s 、B r 的测量数据注意事项：1．测量前检查示波器两通道的垂直微调旋钮是否在校准位置.2．确定软磁材料饱和时对应隔离变压器的电压，饱和时示波器上类磁滞回线的尖端连接处的两条曲线变得重合. 思考题：1．如果测量前没有将材料退磁，会出现什么情况？ 2．用磁路不闭合的样品进行测量会导致什么结果？3．测量时磁场H 是正弦变化的，磁感强度B 是否按正弦规律变化？反之，若磁感强度B 是正弦变化的，磁场H 是否也按正弦规律变化？ 附录：磁滞回线装置参数20001=N 匝 1212=N 匝 Ω=121R 216k R =Ω0.132m L = 320.20810m S -=⨯ (100.05)F C μ=±。

试验八铁磁材料磁滞回线的测绘【预习思考题】1. 测绘磁滞回线和磁化曲线前为何先要退磁？如何退磁？答：由于铁磁材料磁化过程的不可逆性即具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H=0时B=0。

退磁的方法，从理论上分析，要消除剩余磁感应强度Br，只需要通以反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可，但实际上矫顽力的大小通常并不知道，则无法确定退磁电流的大小。

常采用的退磁方法是首先给要退磁的材料加上一个大于（至少等于）原磁化场的交变磁场（本实验中顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0依次增至3V），铁磁材料的磁化过程是一簇逐渐扩大的磁滞回线。

然后逐渐减小外加磁场，（本实验中逆时针方向转动旋钮，将U从最大值依次降为0），则会出现一簇逐渐减小而最终趋向原点的磁滞回线。

当外加磁场H 减小到零时，铁磁材料的磁感应强度B亦同时降为零，即达到完全退磁。

2. 如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料？答：软磁材料的特点是：磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗小，磁滞回线呈长条状；硬磁材料的特点是：剩磁大，矫顽力也大，磁滞特性显著，磁滞回线包围的面积肥大。

【分析讨论题】1. 本实验通过什么方法获得H和B两个磁学量？简述其基本原理。

答：本实验采用非电量电测技术的参量转换测量法，将不易测量的磁学量转换为易于测量的电学量进行测定。

按测试仪上所给的电路图连接线路，将电压UH和UB分别加到示波器的“x输入”和“y输入”，便可观察到样品的磁滞回线，同时利用示波器测绘出基本磁化曲线和磁滞回线上某些点的UH和UB值。

根据安培环路定律，样品的磁化场强为(L为样品的平均磁路)根据法拉弟电磁感应定律，样品的磁感应强度瞬时值由以上两个公式可将测定的UH和UB值转换成H和B值，并作出H~B曲线。

【实验仪器】2. 铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程？用磁滞回线来解释。

答：铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。