铁磁物质的磁化
铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线实验讲义铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性，也是设计选用材料的重要依据。
一：实验目的：1．．．认识铁磁材料的磁化规律，比较两种典型铁磁物质的动态磁特性。
2．．．测定样品的基本磁化特性曲线(B m-H m曲线)，并作μ—H曲线。
3．．．测绘样品在给定条件下的磁滞回线，以及相关的H c，B r，B m，和[H B ]等参数。
二：实验原理：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HH图一铁磁物质的起始磁化曲线和磁滞回线图中的原点。
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 的值到达Bs ，在S点的B s和H s，通常又称本次磁滞回线的B m和H m。
曲线oabs段称为起始磁化曲线。
当磁场从H s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B r。
当磁场反向从o逐渐变为-H c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，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rc称为退磁曲线。
图一还说明，当外磁场按H s →0→-H c→-H s→0 → H c→ H s次序变化时，相应的磁感应强度则按闭合曲线srcs’r’c’s变化时，这闭合曲线称为磁滞回线。
铁磁材料的磁化特性的研究(精)
2
d2 dt
n d dt
2 是线圈n中产生的感应电动势
2 n 次级线圈中的磁通链数
当I2R2 Q / C2 时， 2 I 2 R2
电容C两端的电压：
I2
dQ dt
C2
dU y dt
2
C2 R2
dU y dt
Uy
nS C2 R2
B
该式表明示波器垂直偏转板上的电压，即电容两端的电 压Uy是正比例于磁感应强度B的。
3 磁滞现象：
铁磁材料的磁化过程是不可逆的。
当铁磁质达到饱和
a
后，减小H，B沿图 ab下降；当H=0时B
Br b
＝Br，称为剩磁。 当H＝Hc时，B=0，
c
f
bc段是退磁曲线
-Hc
Hc称为矫顽力；反
-Br e
向继续增大H，铁 磁质反向沿cd段达
d
到饱和；
反向减小H到0，则B沿de到－Br。H按原方向增加经ef到Hc； 继续增大H，则B沿fa回到原来饱和状态。
不同的铁磁质具有不同形状的磁滞回线，按矫顽力 的大小，铁磁材料可分为： 软磁材料：矫顽磁力很小 ，适合于做变压器、
电机中的铁芯等。 硬磁材料：矫顽磁力很大，常用做永磁体。
常用在电表、收音机、扬声器中。 矩磁材料：它的磁滞回线接近于矩形，可以用做
“记忆”元件。 如电子计算机中存储 器的磁芯.
实验仪器介绍
CH2通道
Ｘ－Ｙ控制键 Ｘ－Ｙ触发
测
ε
量 仪
号
器
饱和磁感应强度
初始磁化曲线 当电流从0逐渐增加，线圈中的磁场强度H也随之增加， 这样就可以测出若干组B,H值。以H为横坐标，B为纵坐标， 画出B随H的变化曲线，这条曲线称为初始磁化曲线。当H 增大到某一值后，B几乎不再变化，这时铁磁材料的磁化状 态为磁饱和状态。此时的磁感应强度Bs叫做饱和磁感应强度。
5.4铁磁性物质的磁化
2、硬磁性物质
硬磁性物质的磁滞回线宽 而平，回线所包围的面积比 较大，如图所示。因而交变 磁场中的磁滞损耗大，必须 用较强的外加磁场才能使它 磁化，但磁化以后撤去外磁 场，仍能保留较大的剩磁， 而且不易去磁，即娇顽磁力 也较大。
这种物质适合于制成永久磁 铁。硬磁性物质主要有钨钢、 铬钢、钴钢和钡铁氧体等
(2) 1 ~ 2段：随着H的增大，B几乎直线上升，这是由于 磁畴在外磁场作用下，大部分都趋向H方向，B增加很快，曲 线很陡，称为直线段。
(3) 2 ~ 3段：随着H的增加，B的上升又缓慢了，这是由 于大部分磁畴方向已转向H方向，随着H的增加只有少数磁畴 继续转向，B增加变慢。
图 5-8 磁化曲线的测定
三、磁滞回线
磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强的 磁化过程，而很多实际应用中，铁磁性物质是工作在交变磁 场中的。所以，必须研究铁磁性物质反复交变磁化的问题。
1. 磁滞回线的测定
2．分析
图5-10为通过实验测定的某种铁磁性物质的磁滞回线。 (1)当B随H沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小H 的数值，由图可看出，B并不沿起始磁化曲线减小，而是沿另 一条在它上面的曲线ab下降。 (2) 当H减小到零时，B 0，而是保留一定的值称为剩磁， 用B r表示。永久性磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。
图5-8中，(a)是测量磁化曲线装置的示意图，(b)是根据 测量值做出的磁化曲线。由图5-8(b)可以看出，B与H的关系 是非线性的，即 B 不是常数。
H
图 5-8 磁化曲线的测定
3．分析
(1) 0 ~ 1段：曲线上升缓慢，这是由于磁畴的惯性，当H 从零开始增加时，B增加缓慢，称为起始磁化段。
4．磁化曲线的意义
铁磁性物质的磁化
8．3 交流铁心线圈
3．交流铁心线圈中的铁心损耗 在交变磁通作用下，铁心中有能量损耗，称为铁损。铁损主要由两部 分组成： （1）涡流损耗 铁心中的交变磁通Φ (t)，在铁心中感应出电压，由于 铁心也是导体，便产生一圈圈的电流，称之为涡流。涡流在铁心内流动时， 在所经回路的导体电阻上产生的能量损耗,称为涡流损耗。 减少涡流损耗的途径有两种：一是减小铁片厚度；二是提高铁心材料 的电阻率。 （2）磁滞损耗 铁磁性物质在反复磁化时，磁畴反复变化，磁滞损耗 是在克服各种阻滞作用而消耗的那部分能量。磁滞损耗的能量转换为热能 而使铁磁材料发热。 减少磁滞损耗有两条途径：一是提高材料的起始磁导率；二是减小剩 磁Bb。
8．4．1 电磁铁
电磁铁的结构形式很多，如图8．13所示。按磁路系统形式可分为拍 合式、盘式、E形和螺管式。按衔铁运动方式可分为转动式如图8．13 （a）所示和直动式如图8．13（b）、（c）、(d)所示。
电磁铁的基本工作原理： 当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们 之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心 方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹 簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。
NI l1 H1 l 2 H 2 l n H n
U m lH
或
NI lH U m （8．5）
8．1 磁路及磁路基本定律
图8．4所示磁路可分为三段，根据全电流定律有
NI l1 H1 l2 H 2＋l3 H 3
推广到任意磁路中有
NI lH
由于励磁电流是线圈产生磁通的来源，故称NI为磁路的磁通势F，单位 为安(A)。式(8．7)表示磁路中沿任意闭合曲线磁位差的代数和等于沿该曲 线磁通势的代数和，此称基尔霍夫磁位差定律。
铁磁性物质被磁化的外因
铁磁性物质被磁化的外因铁磁性物质是一种有磁性的物质，它们具有通过外力被磁化的能力。
磁化是一种物质处于特殊情况下时物质的局部电的结构发生改变的现象，对于铁磁性物质而言，它们会在被施加外力时被磁化。
外力会产生一个磁场，这个磁场会在铁磁性物质中产生分布电荷，也就是被磁化。
铁磁性物质被磁化的外因主要有三个：一是通过磁场外力，通常由外部电磁机构产生；二是由于金属结构受损引起的机械损伤；三是材料特性对外部磁场改变的响应能力，即当物质中的电子被外部磁场扰乱时，电子的极化变化会使物质的磁强度发生变化。
首先，外力可以通过磁场来磁化铁磁性物质，外力是指任何可以使外部物体受到影响的力，例如电磁场。
当有一个磁场的存在，磁场的作用力对物质的内部自然而然的，如果外界磁场强度足够大，那么这个磁场会使物质内部的电子受到扰乱，从而产生磁化效应，使物质变成具有一定磁强度的磁性物质。
其次，因为金属结构受损，也可以引起铁磁性物质被磁化，这种情况下的磁化是由于这些金属结构受到机械损伤而引起的。
由于这些金属结构的断裂，其物理性质也会产生磁化，因为当金属结构受损时，里面的电子会变得稀疏，使得里面的电子容易受到外部磁场的影响，从而使铁磁性物质被磁化。
最后，铁磁性物质被磁化的外因还有一个是材料特性对外部磁场改变的响应能力，这就是指物质中电子受外部磁场的影响时会发生极化变化，使其磁强度发生改变。
不同的物质，在外部磁场的影响下，响应的能力也是不同的，有的材料会变得非常易磁化，而有的材料可能不会被外部磁场影响。
综上所述，铁磁性物质被磁化的外因主要有三个：一是由于外力产生的磁场，可以使得外部物质受到影响；二是由于金属结构受损，导致机械损伤引起的磁化；三是材料特性对外部磁场改变的响应能力，也会导致物质被磁化。
这三种外因构成了铁磁性物质被磁化的外因。
当这几种外因发挥作用时，就会使得铁磁性物质被磁化，从而改变它们的物理性质。
此外，当磁化的效果达到一定程度的时候，有时会出现反磁化的现象。
铁磁 反铁磁 亚铁磁的异同
铁磁、反铁磁和亚铁磁的异同铁磁、反铁磁和亚铁磁是几种常见的磁性物质类型，它们在磁矩的排列方式、磁性行为等方面存在着一些相似和不同之处。
本文将从磁矩排列、磁性行为和应用领域等方面详细介绍这三种磁性物质的异同。
一、磁矩排列铁磁、反铁磁和亚铁磁在磁矩排列方面存在明显差异。
1. 铁磁铁磁物质的磁矩在外磁场作用下，趋向于与外磁场方向相同或者相反。
磁矩的方向有序排列，使得整个物质呈现出较强的磁性。
常见的铁磁物质有铁、钴、镍等。
2. 反铁磁反铁磁物质的磁矩在外磁场作用下，趋向于与外磁场方向垂直。
磁矩之间存在着反平行排列的规律，使得整个物质在无外磁场时呈现出弱磁性。
随着外磁场的增强，反铁磁物质的磁性会逐渐减弱。
反铁磁性是由于内部层的自旋配对所引起的，层间的自旋配对是反平行排列的。
铁磁物质的晶体结构对层间自旋配对的形成起着重要的作用。
常见的反铁磁物质有氧化亚铁（FeO）等。
3. 亚铁磁亚铁磁物质处于铁磁和反铁磁之间的一类磁性物质。
它的磁矩即有一定的有序性，又存在一定的无序性。
在外磁场下，亚铁磁物质的磁性程度介于铁磁和反铁磁之间，磁矩的排列并不像铁磁物质那样有序，也不像反铁磁物质那样完全反平行排列。
常见的亚铁磁物质有氧化铁（Fe3O4）等。
二、磁性行为铁磁、反铁磁和亚铁磁在磁性行为方面也存在差异。
铁磁物质的磁性行为主要表现为顺磁性和铁磁性。
顺磁性是指在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向一致，而且强度与磁场强度成正比。
铁磁性是指在外磁场作用下，磁矩不仅与外磁场方向一致，并且强度比顺磁性更强。
铁磁物质在自发磁化时，能产生较强的磁感应强度。
这种磁性行为类似于磁针指向北极。
2. 反铁磁反铁磁物质的磁性行为主要是反铁磁性。
反铁磁性是指在无外磁场时，磁矩之间存在反平行排列，而且没有自发磁化。
在外磁场作用下，反铁磁物质的磁化程度会随着磁场强度的增加而减小。
3. 亚铁磁亚铁磁物质的磁性行为介于铁磁和反铁磁之间。
亚铁磁物质在外磁场作用下会发生自发磁化，但磁化程度不及铁磁物质那么强。
铁芯磁化曲线
铁磁材料的磁滞回线和磁化曲线铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。
如航天、通信、自动化仪表及控制等都无不用到铁磁材料(铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物均属铁磁物质)。
因此，研究铁磁材料的磁化性质，不论在理论上，还是在实际应用上都有重大的意义。
本实验使用单片机采集数据，测量在交变磁场的作用下，两个不同磁性能的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。
1)铁磁材料的磁化及磁导率铁磁物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁滞的特性。
一般都是通过测量磁化场的磁场强度H和磁感应强度B之间的关系来研究其磁性规律的。
图20—1起始磁化曲线和磁滞回线图20—2基本磁化曲线当铁磁物质中不存在磁化场时，H和B均为零，即图20—1中B～H曲线的坐标原点0。
随着磁化场H的增加，B也随之增加，但两者之间不是线性关系。
当H增加到一定值时，B不再增加(或增加十分缓慢)，这说明该物质的磁化已达到饱和状态。
Hm和Bm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度(对应于图中a点)。
如果再使H逐渐退到零，则与此同时B也逐渐减少。
然而H和B对应的曲线轨迹并不沿原曲线轨迹a0返回，而是沿另一曲线ab下降到Br，这说明当H下降为零时，铁磁物质中仍保留一定的磁性，这种现象称为磁滞，Br称为剩磁。
将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到H=-Hc，磁感应强度消失，这说明要消除剩磁，必须施加反向磁场Hc。
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。
图20—1表明，当磁场按Hm→0→-Hc→-Hm→0→Hc→Hm次序变化时，B所经历的相应变化为Bm→Br→0→-Bm→-Br→0→Bm。
于是得到一条闭合的B～H曲线，称为磁滞回线。
所以，当铁磁材料处于交变磁场中时(如变压器中的铁心)，它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。
可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。
应该说明，对于初始态为H=0，B=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化的过程中，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图20—2所示。
5.4铁磁性物质的磁化
磁滞回线
Br——剩磁 Hc——矫顽磁力 Bm——饱和磁感应强度 oa——基本磁化曲线 bc——退磁曲线 abcdega——磁滞回线
磁滞损耗：铁磁物质在反复交变磁化 过程中，内部的小磁畴其取向要不断发 生翻转变化，在此过程中，产生了能量 的损耗，这种损耗称为磁滞损耗。
剩磁和矫顽磁力越大，磁滞回线包围 的面积也越大，磁滞损耗就越大。
二、磁化曲线
铁磁性物质的B随H变化的曲线称为磁化曲线。
硅钢片、铸钢、铸铁的磁化曲线
在铁磁物质的磁化过程中，物质的磁导
率 B 是变化的，不是常数。只有在曲
H
线的线性段，磁导率才可认为是一个常数。
三、磁滞回线
磁滞回线——铁磁物质在被反复正、反向 磁化过程中，形成的B随H变化的闭合曲线。
磁滞——铁磁物质在反复磁化过程中，B的 变化总是滞后于H的变化，这一现象称为磁滞。
四、铁磁物质的磁性能 （1）能被磁体吸引。 （2）能被磁化，并且有剩磁和磁滞损耗。 （3）磁导率μ不是常数，每种铁磁材料都 有一个最大值。 （4）磁感应强度B有一个饱和值Bm。
五、铁磁物质的分类
1.软磁材料：剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料。
特点：易磁化，易去磁，磁滞回线窄，磁滞损耗小。
铁 磁
2.硬磁材料：剩磁和矫顽力均很大的铁磁材料。
第五章 磁场和磁路
第四节：铁磁性物质的磁化
内容提要
一铁磁材料的应用
一、铁磁材料的磁化
使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。 磁化的本质：铁磁材料内部存在大量的“小磁畴”， 每个小磁畴就是一个小磁体。磁化前，这些小磁畴排 列杂乱无章，对外不呈现磁场。但当有外磁场作用时， 小磁畴会发生转动，排列变得有序，磁场互相加强， 对外呈现出磁场。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二、磁化曲线
1．磁化曲线的定义
磁化曲线是用来描述铁磁性物质的磁化特性的。铁磁 性物质的磁感应强度B随磁场强度H变化的曲线，称为磁化 曲线，也叫B—H曲线。
2．磁化曲线的测定
不同的铁磁性物质，B的饱和值不同，对同一种材料，B 的饱和值是一定的。
电机和变压器，通常工作在曲线的2 ~ 3段，即接近饱和 的地方。
4．磁化曲线的意义
在磁化曲线中，已知H值就可查出对应的B值。因此，在 计算介质中的磁场问题时，磁化曲线是一个很重要的依据。
图5-9给出了几种不同铁磁性物质的磁化曲线，从曲线上 可看出，在相同的磁场强度H下，硅钢片的B值最大，铸铁的 B值最小，说明硅钢片的导磁性能比铸铁要好得多。
(2) 外因：有外磁场的作用。
图 5-7 铁磁性物质的磁化
如图5-7(a)所示，当无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无 章，磁性相互抵消，对外不显磁性；如图5-7(b)所示，当有 外磁场作用时，磁畴将沿着磁场方向作取向排列，形成附 加磁场，使磁场显著加强。有些铁磁性物质在撤去磁场后， 磁畴的一部分或大部分仍然保持取向一致，对外仍显磁性， 即成为永久磁铁。
图 5-10 磁滞回线
(3) 为消除剩磁，必须加反向磁场，随着反向磁场的增 强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到一定值时，B 值变为0，剩磁完全消失，如图bc段。bc段曲线叫退磁曲线， 这时H值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为矫顽磁力，用 HC表示。矫顽磁力的大小反映了铁磁性物质保存剩磁的能力。
(7) 改变交变磁场强度H的幅值，可相应得到一系列大 小不一的磁滞回线，如图5-11所示。连接各条对称的磁滞 回线的顶点，得到一条磁化曲线，叫基本磁化曲线。
图 5-11 基本磁化曲线
3．磁滞损耗
铁磁性物质在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个 过程中，产生了能量损耗，称为磁滞损耗。磁滞回线包围 的面积越大，磁滞损耗就越大，所以剩磁和矫顽磁力越大 的铁磁性物质，磁滞损耗就越大。因此，磁滞回线的形状 常被用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。
(4) 当反向磁场继续增大时，B值从0起改变方向，沿曲 线cd变化，并能达到反向饱和点d。
(5) 使反向磁场减弱到0，B—H曲线沿de变化，在e点H=0， 再逐渐增大正向磁场，B—H曲线沿efa变化，完成一个循环。
(6) 从整个过程看，B的变化总是落后于H的变化，这种 现象称为磁滞现象。经过多次循环，可得到一个封闭的对称 于原点的闭合曲线(abcdefa)，称为磁滞回线。
图5-8中，(a)是测量磁化曲线装置的示意图，(b)是根据 测量值做出的磁化曲线。由图5-8(b)可以看出，B与H的关系 是非线性的，即 B 不是常数。
H
图 5-8 磁化曲线的测定
3．分析
(1) 0 ~ 1段：曲线上升缓慢，这是由于磁畴的惯性，当H 从零开始增加时，B增加缓慢，称为起始磁化段。
图 5-磁性物质在外磁场由零逐渐增强的 磁化过程，而很多实际应用中，铁磁性物质是工作在交变磁 场中的。所以，必须研究铁磁性物质反复交变磁化的问题。
1. 磁滞回线的测定
2．分析
图5-10为通过实验测定的某种铁磁性物质的磁滞回线。 (1)当B随H沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小H 的数值，由图可看出，B并不沿起始磁化曲线减小，而是沿另 一条在它上面的曲线ab下降。 (2) 当H减小到零时，B 0，而是保留一定的值称为剩磁， 用B r表示。永久性磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。
铁磁材料根据工程上用途的不同 可分为三大类
• 具有 磁导率很高、易磁化、易去磁 特点的铁 磁材料。软磁材料适用于制作各种电机电器的 铁心。
• 具有 磁导率不太高、但一经磁化、能保留很 大的剩磁且不易去磁 特点的铁磁材料硬磁材料 适用于制作各种人造磁体
• 具有 磁导率极高、磁化后只有正、负两个饱和 状态特点的铁磁材料。矩磁材料适用于制作各 类存储器记忆元件的磁芯
(2) 1 ~ 2段：随着H的增大，B几乎直线上升，这是由于 磁畴在外磁场作用下，大部分都趋向H方向，B增加很快，曲 线很陡，称为直线段。
(3) 2 ~ 3段：随着H的增加，B的上升又缓慢了，这是由 于大部分磁畴方向已转向H方向，随着H的增加只有少数磁畴 继续转向，B增加变慢。
(4) 3点以后：到达3点以后，磁畴几乎全部转到了外磁场 方向，再增大H值，B也几乎不再增加，曲线变得平坦，称为 饱和段，此时的磁感应强度叫饱和磁感应强度。
第四节 铁磁性物质的磁化
一、铁磁性物质的磁化 二、磁化曲线 三、磁滞回线
一、铁磁性物质的磁化
1．磁化
本来不具备磁性的物质，由于受磁场的作用而具有了 磁性的现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁 化。
2．被磁化的原因
(1) 内因：铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小 区域组成的，每一个磁畴相当于一个小磁铁。