铁磁质及其磁化特性
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。
铁磁材料及其磁化特性
磁畴合并
随着外磁场增强，相邻的磁畴会逐渐合并，形 成一个大的磁畴。
饱和磁场
使铁磁材料完全磁化所需的最低外磁场强度称为饱和磁场。
03
铁磁材料的磁化特性
磁导率与磁化率
磁导率
描述铁磁材料在磁场中的磁化程度，与材料的磁化率有关。
磁化率
表示材料被磁化的难易程度，其值越大，材料越容易被磁化。
磁滞回线与矫顽力
磁晶各向异性是指铁磁材料在磁化过 程中，其磁畴结构和磁化行为与晶体 结构相关，呈现出各向异性的特点。
不同晶体结构的铁磁材料具有不同的 磁晶各向异性，这决定了其磁畴结构、 磁化强度和磁化过程。了解和利用磁 晶各向异性是设计和优化铁磁材料性 能的关键。
应力与应变对磁化的影响
应力与应变对铁磁材料的磁化特性具有显著影响。当铁磁材料受到外力作用时，其内部应力分布发生 变化，进而影响原子间相互作用和电子云分布，导致磁畴结构和磁化强度的变化。
铁磁材料具有高磁导率、低矫顽 力和高磁能积等特性，使其在磁 场中表现出优异的磁性能。
种类与应用
种类
常见的铁磁材料包括铁、钴、镍及其 合金等。
应用
铁磁材料广泛应用于电力、电子、通 信、航空航天、医疗器械等领域，如 变压器、电机、发电机、磁性记录和 磁悬浮列车等。
历史与发展
历史
铁磁材料的发现和应用可以追溯到19世纪初，随着科技的发展，铁磁材料的性能不断得到优化和提升 。
磁畴的转动与磁化
磁化过程
当外加磁场作用于铁磁材料时，磁畴会逐渐转向外磁 场方向，从而实现磁化。
磁畴转动机制
磁畴转动是通过交换相互作用实现的，即相邻磁畴之 间原子磁矩的交换作用。
磁化速率
磁化速率取决于温度、外磁场强度和铁磁材料的性质。
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
2、铁磁质的磁化规律和磁化机理-13
磁场较弱时，畴壁扩张 (2)磁畴转向
磁场较强时，磁矩转向
3、规律解释 B ~ H 非线性关系 外场增加 可转向磁畴数变少 达到磁饱和
磁场增加变慢
磁滞和剩磁 磁畴转向需克服阻力
居里温度
温度升高时分子热运动加剧，磁畴被破坏
§14-3
铁磁质的磁化规律和磁化机理
一、铁磁质的磁化规律
基本实验装置：
A
R
磁 通 计 H = nI 测B
提供 I
1、非铁磁性材料的磁化曲线 (1) m m0，B ~ H曲 B
线斜率 tana = m0 ； (2) B ~ H曲线具有可逆性。
2、铁磁性材料的磁化曲线
a
H
(1) 起始磁化曲线： Oa：起始段 ab：直线段
为非线性，且mr >> 1； (2)有剩磁存在；
(3)存在居里温度。
二、磁性材料介绍 1、软磁性材料
B
H O
回路细窄，损耗小；
易退磁，易磁化。
适用制造电机、变压器等
2、硬磁性材料 B H
O
回路宽粗，损耗大； 不易退磁，剩磁大。 适用制造永久磁铁等。
3、矩磁材料 Bm
B Br
O
H
bc：饱和段
B b O a
c H
(2)磁滞回线
当I = 0时，H = 0，但有剩磁
当B = 0时，H = Hc， 称矫顽力，反映铁磁质保存剩磁的能力
磁滞现象：B 的变化
总是落后于 H 的变化。 磁滞损耗与磁滞回线 包围的面积成正比 d
Br
B b
Hc -Br
a H
-Hc c O
3、铁磁质磁化规律的特点 (1) B m H 仍成立，但m = m (H)，
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁铁磁性铁磁性Ferromagnetism过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。
钐(Samarium)，钕(neodymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。
因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。
如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。
材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。
这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(C urie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。
1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。
外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。
在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（spontaneous magnetization）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为。
实验6-22铁磁材料磁滞回线和磁化曲线的测量
实验6-22 铁磁材料磁滞回线和磁化曲线的测量在交通、通讯、航天、自动化仪表等领域中，大量应用各种特性的铁磁材料。
常用的铁磁材料多数是铁和其它金属元素或非金属元素组成的合金以及某些包含铁的氧化物（铁氧体）。
铁磁材料的主要特性是磁导率μ非常高，在同样的磁场强度下铁磁材料中磁感应强度要比真空或弱磁材料中的大几百至上万倍。
磁滞回线和磁化曲线表征了磁性材料的基本磁化规律，反映了磁性材料的基本磁参数，对铁磁材料的应用和研制具有重要意义。
本实验利用交变励磁电流产生磁化场对不同性能的铁磁材料进行磁化，通过单片机采集实验数据，测绘磁滞回线和磁化曲线，研究铁磁材料的磁化性质。
实验目的1、了解用示波器显示和观察动态磁滞回线的原理和方法。
2、掌握测绘铁磁材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的原理和方法，加深对铁磁材料磁化规律的理解。
3、学会根据磁滞回线确定矫顽力Hc 、剩余磁感应强度Br 、饱和磁感应强度Bm 、磁滞损耗][BH 等磁化参数。
4、学习测量磁性材料磁导率μ的一种方法，并测绘铁磁材料的μ—H 曲线，了解铁磁材料的主要特性。
实验仪器TH —MHC 型磁滞回线实验仪，智能磁滞回线测试仪，双踪示波器等。
实验原理1、铁磁材料的磁化特性及磁导率 1）初始磁化曲线和磁滞回线研究铁磁材料的磁化规律，一般是通过测量磁化场的磁场强度H 与磁感应强度B 之间的关系来进行的。
铁磁材料的磁化过程非常复杂，B 与H 之间的关系如图1所示。
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（对应图1中Q 点）。
B ~H 曲线OabQ 称为初始磁化曲线。
当使H 从Q 点减小时，B 也随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线QRD 下降。
当H 逐步较小至0时，B 不为0，而是Br ，说明铁磁材料中仍然保留一定的磁性，这种现象称为磁滞效应；Br 称为剩余磁感应强度，简称剩磁。
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铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁物质。
在20世纪初期，铁磁材料主要用在电机制造业和通讯器件中，如发电机、变压器和电表磁头，而自20世纪50年代以来，随着电子计算机和信息科学的发展，应用铁磁材料进行信息的存储和纪录，例如现以成为家喻户晓的磁带、磁盘，不仅可存储数字信息，也可以存储随时间变化的信息；不仅可用作计算机的存储器，而且可用于录音和录像，已发展成为引人注目的系列新技术，预计新的应用还将不断得到发展。
因此，对铁磁材料性能的研究，无论在理论上或实用上都有很重要的意义。
磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主要特征。
本实验仪用交流电对铁磁材料样品进行磁化，测绘的B-H曲线称为动态磁滞回线。
测量铁磁材料动态磁滞回线的方法很多，用示波器测绘动态磁滞回线具有直观、方便、迅速及能在不同磁化状态下（交变磁化及脉冲磁化等）进行观察和测绘的独特优点。
一、实验目的1．认识铁磁物质的磁化规律，比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性。
2．掌握铁磁材料磁滞回线的概念。
3．掌握测绘动态磁滞回线的原理和方法。
4．测定样品的基本磁化曲线，作μ－H曲线。
5．测定样品的HC、Br、Hm和Bm等参数。
6．测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。
二、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，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。
其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率μ=B/H很高。
另一特征是磁滞，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之间关系的特性。
即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线。
将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化，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，当磁场强度H 从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上升，如曲线oa所示，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B达到饱和值BS，这个过程的oabS曲线称为起始磁化曲线。
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如：碳钢、铝镍钴合金、铝钢 等。
用途：磁电式仪表中的永久性 磁铁。
B
o
H
3. 矩磁材料铁氧体
又称凎金，由Fe2O3、NiO 、 ZnO 、MnO等粉末混合烧结 而成。
特点：μr 较大，磁滞回线近似 为一矩形。
用途：记忆元件，也可作为天 线和电感中的铁芯。
B
o
H
B H
B
a ：铁磁质；
b ：顺磁质 ( μ >μ0 )； c ：抗磁质 ( μ <μ0 )；
o
a b B 0H c
H
二、磁畴
铁磁质内电子间因自旋引起的 相互作用非常强烈，其内形成很 多小区域即磁畴。磁畴中电子的 自旋磁矩排列整齐，具有较强的 磁性。称作自发磁化。
当温度升高到Tc时，铁磁性消 失，退化为顺磁质， Tc为居里温
B0
度或居里点。铁：Tc＝1043K。
B0
三、铁磁性材料
1. 软磁材料 特点：μr 、Bs 较大，矫顽力Hc
和剩磁 Br 较小，磁滞特 性不明显。
如：纯铁、坡莫合金、硅钢等。
用途：电磁铁、变压器、交流 电动机、交流发电机等 电器中的铁芯。
B
o
H
2. 硬磁材料 特点：剩磁 Br 和矫顽力Hc 较
§§171..83 铁铁磁磁质质及及其其磁磁化化特特性性
一、铁磁质的磁化特性
接
铁磁质：μr >>1
测
量
仪
max
B
I
器H1源自BoHBs
铁磁质的μr不再为一常数。
o
H
铁磁质的磁滞现象：
B
Bs Br
Hc o Hc Hs
H
Bs：饱和磁感应强度 Hs：饱和磁场强度 Br：剩余磁感应强度 Hc：矫顽力
例 试判断下列起始磁化曲线所对应的磁介质类型。