课件：磁化曲线和磁滞回线测量

实验C 磁化曲线和磁滞回线测量磁性材料应用广泛，扬声器永久磁铁、变压器铁芯、计算机磁盘等都采用磁性材料。

铁磁材料分为硬磁和软磁两大类。

硬磁材料的剩磁和矫顽力大（102 ~2⨯104 A/m），可做永久磁铁。

软磁材料的剩磁和矫顽力小（102 A/m以下），容易磁化和去磁，广泛用于电机和仪表制造业。

磁化曲线和磁滞回线是磁材料的重要特性，是变压器等设备设计的重要依据。

磁滞回线测量可分静态法和动态法。

静态法是用直流来磁化材料，得到的B—H曲线称为静态磁滞回线。

动态法是用交变来磁化材料，得到的B—H曲线称为动态磁滞回线。

静态磁滞回线只与磁化磁场的大小有关，磁样品中只有磁滞损耗；而动态磁滞回线不仅与磁化磁场的大小有关，还与磁化场的频率有关，磁样品中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗。

因此，同一磁材料在相同大小磁化场下，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大。

本实验采用动态法测量软磁样品的动态磁滞回线和磁化曲线，测量曲线可连续或逐点显示在LCD（液晶）屏上，直观、简便、物理过程清晰。

【实验目的】1.了解磁滞回线和磁化曲线概念，加深对磁材料矫顽力、剩磁等参数的理解。

2.掌握磁材料磁化曲线和磁滞回线的测量方法，确定B s、B r和H c等参数。

3.探讨励磁电流频率对动态磁滞回线的影响。

【预备问题】1.为什么测磁化曲线先要退磁？2.为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼？3.为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大？【实验仪器】FC10-II型智能磁滞回线实验仪。

【实验原理】1.铁磁材料的磁化规律(1) 初始磁化曲线在强度为H的磁场中放入铁磁物质，则铁磁物质被磁化，其磁感应强度B与H的关系为：B = μ H，μ为磁导率。

对于铁磁物质，μ不是常数，而是H的函数。

如图1所示，当铁磁材料从H=0开始磁化时，B随H逐步增大，当H增加到H s时，B趋于饱和值B s，H s称为饱和磁场强度。

从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线OS，称为初始磁化曲线。

图1初始磁化曲线(2) 磁滞回线如图2所示，当磁材料达到饱和磁化B s 后，如果将H 减小，B 也减小，但沿与OS 不同的路径ab 返回。

当H =0时，B=B r ，到达b 点，B r称为剩磁。

欲使B =0，必须加反向磁场，当H = -H c ，B =0（完全退磁），到达c 点，bc 段曲线称为退磁曲线，H c 称为矫顽力。

如果反向磁场继续增大，磁性材料将反向磁化。

当H=-H S 时，磁化达到反向饱和，B =-B s ，到达d 点。

此后若减小反向磁场使H =0，则B = -B r ，到达e 点；当H=H c 时，B =0，到达f 点；再次当H=H s时，B =B s ，回到正向饱和状态a 点。

经历这样一个循环后形成的闭合曲线abcdefa 称为磁滞回线。

H S 、B S 、B r 、H c 是磁滞回线的特征参数。

剩磁Ｂr 反映介质记忆能力的大小，矫顽力H c 反映铁磁材料是硬磁还是软磁。

磁性材料的磁化特性不仅与材料自身的性质有关，还与材料形状、磁化场频率及波形有关。

由于磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在实验过程中磁化电流只允许单调地增加或减少，不能时增时减。

当从初始状态H =0、B =0开始周期性地改变H 的大小和方向时，可以得到面积由大到小的磁滞回线簇，如图3所示。

图3的原点0和各磁滞回线的顶点a 1,a 2,a 3,…，a 所连成的曲线,就是初始磁化曲线。

在测定初始磁化曲线时，首先必须将磁材料充分退磁，以保证每次都是从原始状态（H =0，B =0）开始。

退磁方法为：先用大磁化电流让铁磁材料饱和磁化，然后缓慢减小交变电流，利用逐渐衰减的交变电流对磁材料反复磁化，最后将电流调为零，重复2~3次即可完全退磁。

退磁回线是一串面积逐渐缩小而最终趋于原点0的环状曲线，如图4所示。

为了得到稳定闭合的磁滞回线，磁材料的每个磁化状态都要反复磁化，这种反复磁化的过程称为磁锻炼。

由于动态法测量磁化曲线采用交变电流，每个状态都经过充分的磁锻炼，所以可随时测得稳定闭合的磁滞回线。

2.实验原理图3 磁滞回线簇 图4 退磁过程 图2 磁滞回线如图5所示，待测样品为磁环，磁环的励磁线圈匝数为N 1，测量磁环磁感应强度B 的测量线圈匝数为N 2。

R 1为励磁电流的取样电阻，R 2为积分电阻，C 为积分电容。

在线圈N 1中通入磁化电流I 1，根据安培环路定律，磁环中产生的磁场H 为： LI N H 11= （1） 式中L 为磁环样品的平均磁路长度。

取样电阻R 1的输出电压为：11R I U H = （2）由式（1）和式（2）得：H U LR N H 11= （3） 在式（3）中，N 1、L 、R 1为已知常数，只要测出U H ，就得到磁场强度H 。

设磁场H 在磁环样品中产生的磁感应强度为B ，由电磁感应原理可知，有效横截面积为S 2的测量线圈的磁通量Φ=BN 2S 2，测量线圈产生的感生电势为：dtdB S N dt d E 222-=Φ-= （4） 为了测量B ，用R 2C 电路对感生电势E 2进行积分，选择R 2和C 的数值使R 2>>1/ωc ，ω为励磁电流的频率，则E 2 ≈ I 2 R 2，积分电容C 的输出电压U B 为：B CR S N dB CR S N dt E CR dt IC C Q U U c B ⎰⎰⎰======222222211 （5） 由式（5）得：B U SN CR B 22= （6） 式（6）中，N 2、C 、S 、R 2为已知常数，只要测出U B ，就得到磁场感应强度B 。

【实验内容与步骤】图6是FC10-II 型智能磁滞回线实验仪，包括样品测试箱（有红色和蓝色两个磁环样品）和LCD 智能测试仪两个部分，LCD 显示屏可代替示波器直接显示测量曲线和剩磁、矫顽力等数据，实验数据及输入参数可保存和随时调用。

其详细使用方法见附录1。

图5 测量原理电源）1.选择测试箱的磁样品（红色或蓝色磁环）。

红色磁环为软磁材料，蓝色磁环为硬磁材料，它们的几何参数相同：截面S=124mm2，平均磁路长度L=130mm，N1 =N2 =100匝。

按图6连线：将测试箱信号源的输出端连到磁样品的励磁线圈输入端，将磁样品测量线圈的输出端连到RC积分电路的输入端，将测试箱U H和U B的输出端分别接到LCD智能测试仪的U H (X)和U B (Y)的输入端，并将它们的接地端相连。

2.选取测试箱元件参数。

取样电阻R1=5.5 Ω，积分电阻R2=30KΩ，积分电容C = 3μF，保证R2>>1/ωc。

注意：R2不能小于10 KΩ，C不能小于1μF，图6 FC10-II 型智能磁滞回线试验仪否则磁滞回线会畸变。

3.观察磁滞回线簇和初始磁化曲线（1）接通实验仪电源，选取励磁信号源的幅度和频率。

励磁信号源为正弦波，频率在20~200Hz连续可调，并由4位数码管显示，幅度可用波段开关分档可调。

选取正弦信号的频率（如50Hz），幅度波段开关放合适位置（如I档）。

（2）用LCD智能测试仪观测磁滞回线簇和初始磁化曲线①打开LCD智能测试仪的电源后，LCD显示初始界面，屏幕右下角显示“F S ”字符，表示目前可以响应“S/预置”键和“F/采样间隔“键，其他按键目前暂不能响应。

说明：按键上的“数字”或“字母”代表该键编号，按键上的“汉字或+1/-1”代表该键的功能。

②按“S/预置”键：通过“ 0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”键来设置“取样电阻R1、积分电阻R2、积分电容C”参数，以便微电脑可以根据实验数据计算B或H值，描绘磁滞回线或磁化曲线。

磁样品的“L、横截面积S、励磁线圈匝数N1、测量线圈匝数N2”已经预置好，不要修改。

参数设置好后，按“D/确定”键，保存设置参数。

此时LCD上显示B-H 直角坐标轴。

③按“5/回线簇”键：自动测量并显示一条与励磁正弦信号幅度相对应的磁滞回线。

依次将励磁正弦信号的幅度波段开关调至II档、III档，…，则自动测量并显示面积逐次增大的其他磁滞回线，得到磁滞回线簇（共测6条磁滞回线），将原点0与各磁滞回线的顶点a1,a2,a3,…，a相连,得到初始磁化曲线。

观察并记录这些磁滞回线的形状与特征，以便与后面逐点测量的磁滞回线比较。

4.逐点测量初始磁化曲线（1）将励磁正弦信号的频率调为50Hz，幅度波段开关调至0档，从退磁状态开始测量。

（2）按“D/确定”键，结束当前操作。

（3）按“4/起始磁化曲线”键：测量并显示与励磁正弦信号幅度相对应的起始磁化曲线的一个点及B、H值，将B、H值记录到数据表1（自拟）；然后将励磁正弦信号的幅度波段开关调至I档，按“4/起始磁化曲线”键，则显示磁化曲线的第2个点和B、H值，记录B、H值；依次方法逐步增大励磁正弦信号幅度直到磁化曲线饱和，从而得到起始磁化曲线。

将所有点的B、H值记录到数据表1。

画出LCD屏上的初始磁化曲线，以作数据处理时参考。

注意：如果漏记了前面某个测量点的B、H值，可以按“7/逐点查询”键来查询。

每按1次该键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，LCD屏上用“加亮”方式显示该点，并显示该点的B和H值。

（4）将励磁正弦信号的频率调为100Hz，重复上述操作，再测一条初始磁化曲线，与50Hz初始磁化曲线进行比较。

5.逐点测量磁滞回线（1）按“D/确定”键，结束当前操作。

（2）将励磁正弦信号的频率调为50Hz，幅度波段开关调至饱和磁化幅度（如IX档）。

（3）按“6/逐点测量”键：LCD屏显示磁滞回线右上角的一点和B、H值，将B、H值记录到数据表2（自拟）。

再按一次“6/逐点测量”键，按默认的步长、逆时针方向测量并显示磁滞回线第二个点和B、H值，记录B、H值。

不断按“6/逐点测量”键，直到得到一条完整的磁滞回线，将所有点的B、H值记录到数据表2中。

画出LCD屏上的磁滞回线，读出H S、B S、B r、H c值，以作数据处理时参考。

注意：（1）如果LCD显示的磁滞回线顶部出现编织状小环，则可减小励磁信号幅度消除。

(2)如果LCD显示的磁滞回线大小不合适，可以通过“8/B缩小”键、“9/B放大”键、“A/H放大”键、“X/H缩小“键在“B坐标方向”或“H坐标方向”放大或缩小磁滞回线。

（3）如果漏记了前面某个测量点的B、H值，可以按“7/逐点查询”键来查询。

每按1次该键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，LCD屏上用“加亮”方式显示该点，并显示该点的B和H值。

（4）将励磁正弦信号的频率调为100Hz，重复上述操作，再测一条磁滞回线，与50Hz 磁滞回线进行比较。

【数据处理】1.根据逐点测量的初始磁化曲线数据表，同一坐标纸上画出50Hz与100Hz励磁信号的初始磁化曲线，并讨论两条初始磁化曲线的异同与原因。