磁化曲线

磁化曲线
图 3-19-2
起始磁化曲线与磁滞回线
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化场从一 H m 退回到零，再正向增大磁化场到饱和值 H m ，曲线又回到 a 点。于是我们得到 一条闭合的 abcdefa 曲线，这条曲线称为材料的磁滞回线。 对于磁滞回线，我们作三点说明： （1）上述达到饱和磁化的磁滞回线称为饱和磁滞回线。在饱和磁滞回线上，对应 H＝ 0 的 Br 值称为该材料的剩磁。要消除剩磁 Br ，必须加一反向的磁化场 H c ，我们称 H c （为 该材料的矫顽（磁）力。铁磁材料按照矫顽力的大小分为软磁材料和硬磁材料两类。软磁 材料（如硅钢片）的矫顽力小（一般小于 120A／m） ，磁滞回线窄，但它的磁导率和饱和 磁感应强度大，容易磁化和去磁。硬磁材料（如铸钢）的矫顽力大（一般在 120~2000A／ ，磁滞回线宽，有很强的剩磁，并能长期保持。 m，甚至达 106A／m） （2）一般实验测量和实际应用中很难使铁磁材料达到完全饱和磁化。例如纯铁样品， 在磁化场 H＝1000A／m 时， 仅达到饱和磁化场的 70%， 再继续增大 H， B 的增加已很缓慢。 5 当 H 增大到 10 A／m 时，也仅达到饱和磁化场的 96.5%，因而在一般情况下，磁滞回线只 是在某一最 大磁感应强度 Bm 下作出 的，并且 从这个磁滞回线上可 量得剩磁 Br 和 矫顽力
【实验内容】
实验电路如图 3-19-6 所示。
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图 3-19-6
冲击法的实验电路图 M—标准互感器 K—双刀双掷开关 E—直流稳压电源 1，2，…，11—钮子开关
R2 —电阻箱
C—罗兰环
BG—冲击电流计
K 2 —单刀双掷开关
A—直流安培表
K 1 、 K 3 、 K 4 —单刀单掷开关 R1 —限流电阻
合磁滞回线（见图 3-19-3） 。我们把原点 o 和各条磁滞回线的顶点（ a1 , a2 ,!, am ）所连成 的曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线（也叫技术磁化曲线） 。它与前述按静态方法测得的
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起始磁化曲线稍有区别。基本磁化曲线反映铁磁材料的性质更符合交流电器中铁芯的实际 使用情况。 由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特性， 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，以保证磁化场 H＝0 时，B＝0；其次磁化电流在实验过程 中只允许单调地增加或减小，不可时增时减。 在图 3-19-2 中，bc 曲线段称为退磁曲线，据此，在理论上，要消除剩磁 Br ，只要通 一反向磁化电流，使外加的磁化场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行。但实际上，矫顽磁 力的大小通常并不知道，因此无法确定退磁电流的大小。退磁就是要使表征材料磁化状态 的 B～H 回线的面积为零。从磁滞回线组可以看出，如果能使磁滞回线面积逐渐缩小为零， 就可实现退磁。退磁的方法是：首先给材料加一超过（至少等于）原磁化时的最大外磁场 强度 H m ，并使该磁化场在正负值之间反复变化，同时使它的幅值逐渐减小，最后到零。 这样，该样品的磁化过程就是一连串逐渐缩小而最终趋于原点的磁滞回线（如图 3-19-4 所 示） 。当 H 减小到零时，B 也同样降为零，这就达到了完全退磁的目的。
H m 减小时，B 也随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿着另一曲线 ab 下降；当 H 下降为
零时，铁磁材料中仍保留一定的剩磁 Br，使磁化场反向增加到— H c 时，材料中的磁感应 强度 B 下降为零，我们称 H c 为材料的矫顽（磁）力。继续增加反向磁场到— H m ，然后使 磁
图 3-19-1
19-1 用冲击电流计法测绘铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线
【预习提要】
（1）冲击法测绘磁化曲线和磁滞回线的原理与方法。 （2）冲击电流计的测量原理和使用方法。 （3）怎样对铁磁材料退磁和“磁锻炼” ，两者在操作上有何区别? （4）什么是铁磁材料的基本磁化曲线、起始磁化曲线和磁滞回线?
【实验要求】
（1）加深对铁磁材料磁化特性的理解。 （2）掌握用冲击电流计测绘铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的原理和方法。 （3）熟悉冲击电流计的使用方法。
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积） ，故有
∆B = B2 − B1 = KR 。 N2 A
KR d m = K 0d m N2 A
（3-19-4）
式中，常数 K 0 =
式（3-19-4）还可以写为
B2 = B1 + ∆B
（3-19-5）
（2）通过改变磁化电流方向（保持电流大小不变） ，使磁通量变化。若以原磁通量为 -BA，则电流反向后的磁通量为 BA，而磁通量的变化则为 2BA。于是得到
R K —10 个电阻
1．测定冲击常数 KR
（1）按图 3-19-6 接好电路，使所有开关都处于断开状态。 （2）检查冲击电流计，调节光源或望远镜系数，使光标刻度线正对标尺零线。 （3）将 K 倒向 X 或 Y， K 2 倒向 a，接通开关 1。 （4）接通 K1 ，记下 A 表指示的电流值 I ′ ，然后断开 K1 。 （5）接通 K 4 ，利用 K 3 使 BG 的光标停在标尺的零线上。
图 3-19-3
基本磁化曲线
图 3-19-4
退磁过程图
（二）磁化场强度 H 和磁感应强度 B 的测定
1．磁化场强度 H 的测定方法 用待测的铁磁材料做成圆环，再紧密绕 上原线圈（励磁线圈）N1 匝和副线圈（测量 这就做成了罗兰环 （如图 3-19-5 线圈） N2 匝， 所示） 。当原线圈 N1 中通以磁化电流 I 时， 则此电流在圆环内产生磁场，其磁感线是在 圆环内的闭合回路，这就是磁化场。
【实验目的】
用冲击电流计法测绘铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。
【实验器材】
冲击电流计，安培表，标准互感器，直流电源，电阻箱，单刀单掷开关，单刀双掷开 关，双刀双掷开关，钮子开关，铁磁材料制成的罗兰环，滑线变阻器，自耦变压器，交流 毫安表。
【实验原理】
（一）铁磁材料的磁化过程
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研究铁磁材料的磁化规律时，通常把样品做成一个截面均匀的圆环，环上绕有磁化线 圈和测量磁感应强度 B 用的探测线圈，这种有铁芯的环状线圈称为罗兰（H. A. RowLand） 环或螺线环。当磁化线圈中通以大小不同的电流时，样品内就形成大小不同的磁场强度 H， 其磁力线在罗兰环内呈闭合回路。这样，磁化曲线和磁滞回线的测定就归结为磁场强度 H 和相应的磁感应强度 B 的测量。 下面我们先讨论磁化过程， 再具体讲这两个量的测量方法。 1．起始磁化曲线 在电流产生的磁场中，如果放入铁磁物质，那么磁场将明显增强，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大数百倍或数千倍。铁磁物质内部的磁场强度 H 与磁感应强度 B 有如下关系
I1 , I 2 ,!, I m ( I1 < I 2 ! < I m ) ，则相应的磁场强度为 H 1 ， H 2 ，!, H m 。在每一个选定的
磁 场 值 下 ， 先 经 过 “ 磁 锻 炼 ”， 再 使 磁 场 方 向 发 生 两 次 变 化 （ 即
H1 → − H1 → H1 ,! H m → − H m → H m ） ，则可获得一组逐渐增大，且一个套一个的闭
B=
1 KR d m = K0d m 2N2 A 2
（3-19-6）
式（3-19-4）和式（3-19-6）就是所求的计算磁感应强度 B 的公式。 公式中的常数 K 0 可以用标准互感器来测定，其计算公式为
Kቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ =
KR 1 2 MI ′ = ⋅ ′ N2 A N2 A dm
′ 为互感器的副线圈中感应电 式中，M 为互感系数， I ′ 为互感器原线圈回路中的电流； d m
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对磁化场强度的测 定 是 按 安培环 路定 律 进行的。将安培环路定律 H ⋅ dl =
∫
∑ I 应用
H = H1I L
图 3-19-5
测量钢圆环内 B 的原理图
于通电的罗兰环，我们得到 HL＝N1I，于是磁化场的大小为
（3-19-1）
式中，N1 为原线圈的匝数；L 为圆环的平均长度。
2．磁感应强度 B 的测定方法 用冲击法测定铁磁材料内的磁感应强度 B 的步骤是：首先使圆环样品均匀磁化，然后 用冲击电流测量穿过圆环截面的磁通量的变化所引起的感应电量 Q，最后根据磁感应强度 B 和电量 Q 的关系计算 B。 具体推导过程如下：当使通过原线圈 N1 的磁化电流突然发生改变时，穿过副线圈的磁 通量也随着改变。按照电磁感应定律，在匝数为 N2 的副线圈内产生的感应电动势的大小为
B = µH
对于铁磁物质而言，磁导率 µ 并非常数，而是随 H 的变化而改变的物理量，即 µ = f ( H ) 为非线性函数。所以 B 与 H 也是非线性关系，如图 3-19-l 所示。 将未被磁化的铁磁材料（如钢）做成罗兰环，当流过磁化线圈中的磁化电流从零逐渐 增大时，则钢圆环中的磁感应强度 B 随激励磁场强度 H 而变化，如图 3-19-1 中的 os 或图 3-19-2 中的 oa 所示。如果测量中能保持 H 单调地增加，则测得的 B 随 H 变化的曲线称为 起始磁化曲线。 2．磁滞回线 继续上面的磁化实验，当 H 增加到一定值时，B 的增加变得十分缓慢，这说明材料的 磁化已接近饱和状态。用符号 H m 和 Bm 分别代表饱和时的磁场强度和磁感应强度。当 H 从
′′ ，一般地说， Bm ≠ Bm ′ → Bm ′ ≠ Bm ′′ ，即磁滞回线不闭合。为了获得闭 应变化为 Bm → Bm
合的磁滞回线，需要使磁化场经过多次从 H m → − H m → H m 的反复变化，以整理样品内 部的磁畴取向。这种将磁场多次反向的操作过程称为“磁锻炼” 。 3．基本磁化曲线 对于同一种铁磁材料，若开始时不带磁性，依次选取不同的磁化电流
N2 N dΦ = 2 ( Φ 2 − Φ1 ) R R
（3-19-2）
Q = Kd m
式中，K 为冲击电流计在开路状态下的冲击常数。 由式（3-19-2）和式（3-19-3）可得到