铁磁材料的磁滞回线及基本磁化曲线 实验报告

铁磁材料的磁滞回线及基本磁化曲线 实验 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 【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. 测定样品的基本磁化曲线，作μ,H曲线。 3. 测定样品的H、B、B和(H?B)等参数。 DrSmm 4. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。 【实验仪器】 DH4516型磁滞回线实验仪，数字万用，示波器。 【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，铁磁质仍保留磁化状态，图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时，B到达饱和值B，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从H逐渐减小至零，磁SSS感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，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称DD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1还表明，当磁场按H?O?H?-H?O?H?H次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SDSD?S ,,,SRDSRDS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。 1 图2 同一铁磁材料的 图1 铁磁质起始磁化 图 3 铁磁材料µ与H并系曲 一簇磁滞回线 曲线和磁滞回线 线 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 Bμ,曲线，由此可近似确定其磁导率，因B与H非线性，故铁磁材料的μ不是常数而是随H而变H 化(如图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。 可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图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5 实验线路 图 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五所示。待测样品为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为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为i，根据1 安培环路定律，样品的磁化场强 Ni1,H L为样品的平均磁路 L 2 U1 ? i, R1 N1 (1) ？H,,UHLR1 (1)式中的N、L、均为已知常数，所以由可确定H。 UR1H1 在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和电路给定的，根据法拉第电磁感应RC2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 d,n,,2dt 1,,,dt2,n ,1B,,,dt2,SnS (2) 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 ε,iR，U222B式中为感生电流，U为积分电容C两端电压,设在Δt时间内，i向电容的充电电量为Q，则 iCB222 QQεiR,？,，U B222CC 如果选取足够大的R和C，使iR>>Q/C，则 222 ,,iR222 dUdQBiC,, ? 22dtdt dUBεCR？, (3) 222dt 由(2)、(3)两式可得 CR2B,U (4) B NS2 上式中C、R、n和S均为已知常数。所以由U可确定B 2B0 综上所述，将图5中的U和U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;HB 如将U和U加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度B、剩磁R、矫顽力H、磁滞损耗〔WBH〕HBSrD以及磁导率µ等参数。 3 【实验内容与步骤】 1. 电路连接:选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路，并令R,2.5Ω，“U选1择”置于O位。U和U分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔?为公共端。 HB 2. 样品退磁:开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为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6所示。 和B的相位差等因素引起的畸变 图6 退磁示意图 图7 UB 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(若图形顶部出现编织状的小环，如图7所示，这时可降低励磁电压U予以消除)。 4. 观察基本磁化曲线，按步骤2对样品进行退磁，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，借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。 5. 观察、比较样品1和样品2的磁化性能。 6. 测绘μ,H曲线:仔细阅读测试仪的使用说明，接通实验仪和测试仪之间的连线。开启电源，对样品进行退磁后，依次测定U,0.5，1.0„3.0V时的十组H和B值，作μ,H曲线。 mm 7. 令U,3.0V，R,2.5Ω测定样品1的B,R,H,W,等参数。 1SrDBH 8. 取步骤7中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制B,H曲线(如何取数,取多少组数据,自行考虑)，并估算曲线所围面积。 【数据及处理】 2电容C(μF):20 电阻R(Ω)2.5 电阻R(kΩ):10 截面S(mm): 120 1:2 励磁绕组N(砸):150 测量绕组N(砸):150 平均磁路L(mm):75 12 表一 基本磁化曲线与µ,H曲线 42U(V) H×10安/米 B×10特斯拉 µ,B/H享利/米 0 0.5 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 4 2.4 2.7 3.0 3.5 μ B H H 0 0 磁化曲线 磁导率与H的关系 表二.磁滞回线 H= B= B= W= DrSBH 424242NO H×10A/m B×10T NO H×10A/m H×10T NO H×10A/m B×10T B 0 H 磁滞回线 5