实验25铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验二十五 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
一、实验目的
1. 认识铁磁物质的磁化规律和动态磁化特性。

2. 测定样品的基本磁化曲线，作μ－H 曲线。

二、实验原理
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。

其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率μ很高。

另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态。

图25-1为铁磁物质的磁感应强度B 与磁化场强度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oa 所示。

继之B 随H 迅速增长，如ab 所示。

其后B 的增长又趋缓慢。

并当H 增至H S 时，B 到达饱和值B S 。

oabs 称为起始磁化曲线。

图25-1表明，当磁场从H S 逐渐减小至零，磁感应强度B 并不沿起始磁化曲线恢复到“O ”点，而是沿另一条曲线SR 下降。

比较线段OS 和SR 可知，H 减小时B 也相应减小，但B 的变化滞后于H 的变化，这现象称为磁滞。

磁滞的明显特征是当H ＝O 时，B 不为零，而保留剩磁Br 。

当磁场反向从O 逐渐变至－H D 时，磁感应强度B 消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场。

H D 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RD 称为退磁曲线。

图25-1还表明，当磁场按H S →
O →-H D →-H S →O →
H D ´→H S 次序变化，相应的磁感应强度B 则沿闭合曲线S SRD 'S D R ''变化，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（如变压器中的铁心），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，当初始态为H ＝B ＝O 的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图25-2所示。

这些磁滞回线顶点的连
线称为铁磁材料的基本磁化曲线。

由此曲线可近似确定其磁导率H
B
μ=。

因B 与H 的关系为非线性，故铁磁材料的μ不是常数，而是随H 而变化（如图25-3所示）。

铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛的主要原因之一。

磁化曲线和磁滞回线是对铁磁材料进行分类和选用的主要依据。

图25-4为常见的两种典型的磁滞回线。

其中软磁材料的磁滞回线狭长，矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。

而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。

图 25-3 铁磁材料µ与H 并系曲线 图 25-4 不同铁磁材料的磁滞回线
观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图25-5所示。

25-5 实验线路
被测样品为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。

R 1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，样品的磁化场强为 H=In/L , L 为样品的平均磁路。

1
1R U i =
11U LR N
H ∙=
∴=1
1U K ，（1
1LR N K = ） 式中的N 、L 、R 1均为已知常数，所以由U 1可确定H 。

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B 是由测量绕组n 和22C R 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：
dt d n
e ϕ= edt n ⎰=∴1ϕ edt nS
S B ⎰==1
ϕ，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222R i e u +=，式中2i 为感生电流，
2u 为积分电容C 2两端电压。

设在Δt 时间内，i 2向电容2C 的充电电量为Q ，则
2
2C Q U =
2
22C Q
R i e +
=∴ 如果选取足够大的R 2和C 2，使22R i >>
2
C Q ，则22R i e =
dt du C dt dq
i 222==
dt
du R C e 222=∴ ∴ 222U S n R C B =
=22U K ，（nS
R
C K 222= ） 上式中C 2、R 2、n 和S 均为已知常数。

所以由U 2可确定B 。

综上所述，将图25-5中的u 1和u 2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。

三、实验内容
1. 实验线路：采用HE-18实验箱“磁滞回线的观测”线路。

由于H=K 1U 1，B=K 2U 2，故U 1、U 2的值即反映了H 、B 的大小。

将“降压选择”旋钮置于0位。

U 1和U 2分别接示波器的的“X 输入”和“Y 输入”，插孔⊥为公共端。

2. 样品退磁：开启降压变压器电源，对试样进行退磁，即转动“降压选择”旋钮，令U 从0增至3V ，然后再从3V 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25-6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 出现如图25-7所示的小环，这时可降低励磁电压U 予以消除。

4. 观测基本磁化曲线。

按步骤2对样品进行退磁后，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。

借助示波器读出每一个磁滞回线两个顶点处的U 1、U 2值，记于下表中。

图25-6 退磁示意图
图25-7 U2和B 的相位差等
因素引起的畸变
四、实验报告
1． 根据实验数据，描绘基本磁化曲线，纵坐标为B （即K 2U 2），横坐标为H （即K 1U 1）。

2． 描绘μ-H 曲线，纵坐标为μ=)(1231231122K K K U U K U K U
K H B ===，横坐标H （即K 1U 1）。

以上K 1～K 3均为确定的常数，可纳入坐标尺的比例中，从而可直接用U 1、U 2、U ２/U １来
作图，即可定性地表现出基本磁化曲线和μ-H 曲线。