迟滞回线

磁化曲线和磁滞回线 磁性材料应用很广，从长用的永久磁铁、变压器铁芯，到录音、录像、计算机存储用的 磁带、磁盘等都采用。磁滞回线和磁化曲线反应了磁性材料磁特性的主要特征。 用示波器法测量铁磁材料的磁特性是磁测量的基本方法之一，它具有直观、方便、迅速以及 能够在不同的磁化状态下（交变磁化及脉冲磁化等）测量的优点，适用于一般工厂快速检测 和对成品进行分类。通过实验研究这些性质不仅能掌握用示波器观察磁化曲线和磁滞回线的 基本测绘方法，而且能从理论和实际应用上加深对材料磁特性的认识。 〖实验原理〗 1． 铁材料的磁滞现象 铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度 B之间的关系的特征。 图 7－1 图 7－2 将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化.当磁场强度 H 由零增加时, 磁感应强 度 B 由零开始增加。H 继续增加，B 增加缓慢，这个过程的 B — H 曲线称为起始磁化曲 线，如图 7－1中的 oa段所示。 当磁场强度 H 减小，B 也跟着减小，但不按起始磁化曲线原路返回，而是沿另一条曲 线（图 7－1中）ab段下降，当 H返回到零时，B不为零，而保留一定的值 rB ，即铁磁材 料仍处于磁化状态，通常 rB 称为磁材料的剩磁。 将磁化场反向，使磁场强度负向增加，当 H达到某一值 CH- 时，铁磁材料中的磁感应 强度才为零，这个磁场强度 CH- 称为磁材料的矫顽力。继续增加反向磁场强度，磁感应强 度 B反向增加。如图 7－1cd段所示。 当磁场强度由 mH- 增加到 mH 时，其过程与磁场强度从 mH 到 mH- 过程类似。这样 形成一个闭合的磁滞回线。 CH mH mB mB- mH- CH- rB- rB a1 a2 a3 a4 mH mH- 逐渐增加 mH 值，可以得到一系列的逐渐增大的磁滞回线，如图 7－2 所示。把原点与 每个磁滞回线的顶端 a1，a2，a3，a4…连接起来即得到基本磁化曲线。如图 7－2中 oa段所 示。 当 Hm增加到一定程度时，磁滞回线两端较平，即.H增加，B增加很小，在此时附近铁 磁材料处于饱和状态。 基本磁化曲线上的点与原点连线的斜率称为磁导率μ, H B =m (7－1) 在给定磁场强度条件下征单位 H 所激励出的磁感应强度 B，直接表示材料磁化性能强弱。从磁化曲线上可以看出磁 导率并不是常数。当铁磁材料处于磁饱和状态时，磁导率减 小较快。曲线起始点对应的磁导率称为初始磁导率。磁导率 的最大值称为最大磁导率。这两者反映μ－H曲线的特点。 如图 7－3所示。 图 7－3 2．示波器显示样品磁滞回线的实验原理及电路 只要设法使示波器 X轴输入正比于被测样品中的 H，使 Y轴输入正比于样品的 B， 保持H和B为样品中的原有关系就可在示波器荧光屏上如实地显示出样品的磁滞回线。 怎样才能使示波器的 X轴输入正比于 H，Y轴输入正比于 B呢？图 7－4为测试磁 滞回线的原理图。L为被测样品的平均长度（虚细框），N1，N2分别为原，副边匝数， R1，R为电阻，C为电容。 图 7－4 测试磁滞回线的原理图 当原边输入交流电压U~时就产生交变的磁化电流 1i ,由安培环路定律可算得磁场 强度 H为 L iNH 11= (7－2) 又因 1 1 1 R Ui = (7－3) 所以 1 1 1 1 11 )( U LR N R U L NH ×=×= (7－4) 由上式可知 H∝ 1U 加到示波器 X轴的电压 1U 确能反映 H。 H-m B－H R R1 U1 U2 UC U~ i1 i2 C 接示波器Y轴输入 接示波器X轴输入 交变的H样品中产生交变的磁感应强度 B。假设被测样品的截面积是 S，穿过该截面的 磁通f =BS,由法拉第电磁感应定律可知，在副线圈中将产生感应电动势 dt dBSN dt dN 22 -= f -=e （7－5） 由图 7－4副边的回路方程式 cURi +=e 2 (7－6) 式中 2i 为副边电流， CU 为电容 C两端的电压。设 2i 向电容器 C充电，在Δt时间内充 电量为 Q，则此时电容两端的电压 CU 表示如下： C QUC = (7－7) 当我们选取足够的 RC时，使 CU 小到与 Ri2 相比可略去不计时(7－6)式简化为 Ri2=e (7－8) 又因 dt dUC dt dQi c== (7－9) 所以(7－8)式变为 dt dURC c=e (7－10) 根据电磁感应定律 dt dBSN2-=e dt dBSN dt dURC c 2-= （7－11） 将（7－11）式两边积分，经整理后可得到 B的数值为 cUSN RCB 2 = (7－12) (7－12)式表明电容器上的电压 CU ∝B， CU 确能反映 B。 故只要将 1U ， CU 分别接到示波器的 X轴与 Y轴输入，则在荧光屏上扫描出来的图形 就能如实地反映被测样品的磁滞回线。依次改变 1U (从零递增)值。便可得到一组磁滞回线， 各条磁滞回线顶点的连线便是基本磁化曲线。本实验的任务之一是定出各顶点所代表的 1U 和 CU 值(即 H和 B值)。画出基本磁化曲线。 〖实验仪器〗 磁滞回线测量实验仪，J17型示波器，晶体管毫伏表。 1． 用示波法测量磁性材料的磁滞回线所采用的实验线路如图 7－5所示 图 7－5 通过变压器将 220V交流电降为低压U~，输出端与可调电阻 0R 构成分压电路，调节 0R 使输入到被测样品上的电压在 0－ maxU 间连续变化。图中虚线框内的变压器，电压调节可 调电阻 0R ，取样电阻 R1以及 RC积分电路等均已安装在磁滞回线测量实验仪内，并与面板 上的接线柱相接，实验时，把实验仪与示波器连接即可开始实验，本实验采用 J17 型示波 器，为在示波器上展示合适的磁滞回线，可选择适当的取样电阻 R1，实验仪提供 4 种阻值 的电阻，通过旋扭调节进行选择。 2 ． 参 数 ： 50N1 = 匝 150N 2 = 匝 m106L 2-´= 26 m1080S -´= WK10R = F1010C 6-´= 〖实验步骤〗 1．将磁滞回线测量实验仪与示波器连接，打开实验仪和示波器电源开关，注意此时不要调 动示波器的任何一处。 2．将实验仪电压调节旋钮调到中间某个位置，此时示波器将展示出一磁滞回线曲线。 3．节实验仪电压调节旋钮，观察示波器上磁滞回线的形状的大小随之改变的现象。 4．调节实验仪电压调节旋钮，使输入到试样上的电压达到最大值，此时示波器上的磁滞 回 线形状为最大（即饱和磁滞回线），然后再调节实验仪电压调节旋钮，使输入到试样上的 电压为最小值（0V），此时，示波器上的磁滞回线 形状仅为一个光点。（此步骤的作用是使被测样品 退磁） 5．调节示波器的 X，Y 位移使光点呈现在坐标网格中 心（以保证曲线的对称性）。 6．调节实验仪电压调节旋钮，逐渐增加输出电压幅度， 确定磁滞回线顶点的坐标，并记录之。 注意：（1）输出电压幅度在 0－ maxU 之间调节时， 必须是单调增加。 （2）至少记录 5个顶点的坐标。 样 品 U~ R0 R C R1 2.5Ω 5Ω 10Ω 15Ω CH mH mB mB- CH- rB- rB b1 b2 b3 b4 变压器 7．测绘饱和磁滞回线上的特殊点坐标，并记录之。 图 7－6 饱和磁滞回线特殊点坐标 图 8．示波器定标： 为了定量研究磁化曲线和磁滞回线，必须对示波器进行定标．示波器具有比较信号，可 根据示波器的使用方法，对示波器 X轴和 Y轴分别进行定标，校正 X轴和 Y轴上每格表示的 电压值后即可进行测量。 设 X轴灵敏度为 XS (V／格)，Y轴的灵敏度为 YS (V／格)(上述 XS 和 YS 均可从示波器 的比较信号中读出)，则： XSU XX ×= YSU YY ×= 式中 X、Y分别为测量时记录的坐标值(单位：格)。根据（7－4）式和（7－12）式 H 和 B的定量为： ( ) 1 1 mAXS LR NH X ×= ( ) T 2 YS SN RCB Y ×= 将示波器 Y对地短路，此时示波器上展示出一条水平线，测量其长度值 Xn ，并用毫伏 表测量出 X对地的电压值 XV ，由此得到 ( )格Vn VS X X X 2 2 = 。同理，将示波器 X对地短路， 此时示波器上展示出一条垂直线，测量其长度 Yn ，并用毫伏表测出 Y对地的电压值 YV ，由 此得到 ( )格V n VS Y Y Y 2 2 = 。 数据记录与计算参考表格如下： 顶点及特殊点 1a 2a 3a 4a a rB± CH± 1b 2b 3b 4b 坐标：X、Y（格） XS LR NH X ×= 1 1 YS SN RCB Y ×= 2 9. 关掉实验仪和示波器的电源开关，整理好仪器，测量结束。 〖数据处理与分折〗 1．将各磁滞回线顶点座标按(5)和(6)式换算成 B、H值，描在坐标纸上，将各点联成光滑曲 线，即为基本磁化曲线。 2． 将各特殊点座标（ rB± 、 CH± 、 1b 、 2b 、 3b 、 4b ）及顶点a按(5)和(6)式换算成 B、 H值，根据曲线对称性可在坐标纸上描出 14个点，将各点联成光滑曲线，即为饱和磁滞 回线。 在毫米方格纸上描出基本磁化曲线和饱和磁滞回线，并算出 CH 、 mH 、 mB 和 rB 值。 3．计算磁导率m，作出m－H曲线。 〖预习思考题〗 1．什么叫示波器的定标?本实验中是怎样对示波器进行定标的?定标的条件是什么? 2．为什么测量时必须先进行退磁，如何进行? 3．为什么磁化电流要单调增大或单调减小而不能时增时减?