铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

南昌大学物理实验报告

课程名称： 普通物理实验（2）

实验名称： 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

学院： 理学院 专业班级： 应用物理学152班

学生姓名： 学号： 5

实验地点： 理生楼B208 座位号： 23

实验时间： 第六周 星期五 下午 14点开始

一、实验目的：

1、 掌握用磁滞回线测试仪测绘磁滞回线的方法。

2、 了解铁磁物质的磁化规律，用示波器法观察磁滞回线，比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性。

3、 测定样品的基本磁化曲线（B-H曲线），作μ －H 曲线。

4、 测绘样品在给定条件下的磁滞回线，估算其磁滞损耗以及相关的、、、H、B等参量。

二、实验仪器：

磁滞回线测试仪、示波器。

三、实验原理：

1. 铁磁材料的磁滞特性

铁磁物质是一种性能特异，在现代科技和国防上用途广泛的材料。铁，钴，镍及其众多合金 以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，磁导 率 μ

很高。另一特性是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁材料仍保留磁化状态。图一为铁 磁物质的磁感应强度 Β 与磁场强度 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

B=H=O 。当外磁场 H 从 零开始增加时，磁感应强度 B 随之缓慢上升，如线段落 0a 所示；继之 B 随 H 迅速增长，如 ab 段所示；其后，B 的增长又趋缓慢；当 H 值增至 Hs 时，B 的值达到 Bs ，在 S 点的 Bs 和 Hs，通常又称本次磁滞回线的 Bm和 Hm。曲线 oabs 段称为起始磁化曲线。 当磁场从 Hs 逐渐减少至零时，磁感应强度 B 并不沿起始磁化曲线恢复到 o 点，而是沿 一条新的曲线 sr 下降，比较线段 os 和 sr，我们看到：H 减小，B 也相应减小，但 B 的变化 滞后于 H 的变化，这个现象称为磁滞，磁滞的明显特征就是当 H=0 时，B 不为 0，而保留剩磁 Br。

当磁场反向从 o 逐渐变为-Hc时，磁感应强度 B=O，这就说明要想消除剩磁，必须施加 反向磁场，Hc 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 rc 称为退磁 曲线。 图一还表明，当外磁场按 Hs

→0→-Hc→-Hs →0 → Hc→ Hs次序变化时，相应的磁感应强度B则按闭合曲线 srcs’r’c’s 变化时，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（如变压器铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由 于磁畴的存在，此过程要消耗能量，以热的形式从铁磁材料中释出。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。

当初始态为 H=B=O 的铁磁材料，在峰值磁场强度 H 由弱到强的交变磁场作用下磁化， 可以得到面积由小到大向外扩张的一组磁滞回线，如图二所示。这些磁滞回线顶点的连线称为该铁磁材料的基本磁化曲线。由此，可近似确定其磁导率

μ

＝B/H

因 B 与 H 是非线性关系，所以铁磁材料的磁导率 μ 不是常数，而是随 H 而变 化，如图三所示。铁磁材料的磁导率可高达数千至数万，这一特点使它广泛地用于各个方面。

磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类的主要依据，图四为常见的几种典型的磁滞回线。 其中，磁滞回线宽者，为硬磁材料，适用制造永磁体，其矫顽力大。剩磁强，如钕铁硼合金。 磁滞回线细而窄者，为软磁材料，矫顽力，剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机和 交流电磁铁的主要材料。磁滞回线如矩形者，矫顽力小，剩磁大，适于做记忆材料。如磁环、

磁膜，广泛地应用于高科技行业。

2. 测绘磁滞回线原理

观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。 待测样品为

EI 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。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，样品的磁化场强度

因为

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 R2C2 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

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 2 i 为感生电流，UB为积分电容 C 两端电压,设在Δ t 时间内，i2向电容 C2 的充电电量为 Q，则

如果选取足够大的

R2和 C，使 i2R2>> Q/C，则

上式中 C、R2、n 和 S 均为已知常数。所以由 UB可确定 B.

综上所述，将图 5 中的 UH和 UB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 UH和 UB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 µ 等参数。

四、实验内容和步骤：

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R1＝2.5Ω，“U选择”置于O 位。UH和 UB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 B＝H＝0，如图 6 所示。

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 U＝2.2V，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 7 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 U＝0 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. 观察样品 1 磁化性能。

6. 测绘μ －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＝0.5，1.0…3.0V 时的十组 Hm和 Bm值，作μ ～H 曲线。

7. 令 U＝3.0V，R1＝2.5Ω 测定样品 1 的 BS,Rr,HD,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 B－H 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。 五、实验数据与处理：

L=60mm, S=80mm2, N=50, N2=150, R1=2.5Ω, R2=10kΩ, C1=20，C2=20,

1. 基本磁化曲线与-H曲线

U/V X/V H/(10-4Am-1) Y/V B/(102T)

(=B/H)/(H/m)

0.5 2 6.667 4 0.667 10.000

1.0 3 10.000 7 1.667 11.667

1.2 4 13.333 8 1.333 10.000

1.5 6 20.000 10 1.667 8.333

1.8 8 26.667 12 2.000 7.500

2.0 9 30.000 13 2.167 7.222

2.2 10 33.333 14 2.333 7.000

2.5 14 46.667 15 2.500 5.357

2.8 16 53.333 16 2.667 5.000

3.0 17 56.667 16 2.667 4.706

2. B-H曲线（U=2.8v, R=2.5Ω）

N.O. X/V H/(10-4Am-1) Y/V B/(102T) N.O. X/V H/(10-4Am-1) Y/V B/(102T)

1 16 53.333 16 2.667 9 -5 -16.667 -9 -1.5

2 10 33.333 14 2.333 10 -15 -50 -16 -2.667

3 5 1.667 12 2 11 -5 -16.667 -11 -1.833

4 3 10 10 1.667 12 -4 -13.333 -10.5 -1.75

5 0 0 7.5 1.25 13 0 0 -6 -1

6 -1 -3.333 5 0.833 14 1.5 5 0 0

7 -2 -6.667 0 0 15 2.5 8.333 5 0.8333

8 -3 -10 -5 -0.833 16 5 16.667 10 1.667

, , , BH0.492 KJ/m3

六、误差分析：

1. 在示波器上读数时会有较大的误差。

2. 没有完全退磁会对曲线有影响。

3. 中心光点不在坐标轴的正中央，也会给数据带来误差。

七、思考题：

1. 如果不退磁，我们做实验会有什么后果？

答：当将H降为0时，B并不为0，需要加一个反向的磁场，才能使其变为0，这一段形成的曲线为退磁曲线。如果不退磁，磁滞回线不会关于坐标原点对称。

2. 示波器显示的磁滞回线是真实的H-B曲线吗？如果不是，为什么可以用它来描绘磁滞曲线。

答：不是，示波器显示的是将H-B转换成电压量而形成的图，但因为H与X轴电压成线性关系，B与Y 轴电压成线性关系，所以可以用之描绘磁滞曲线。

八、附上原始数据：