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H 曲线。 3测定样品的Hc、Br、Bm和Hm�6�1Bm等参数。 4测绘样品的磁滞回线。 【实验原理】 1起始磁化曲线和磁滞回线 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 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2-1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2-1 铁磁质起始磁化曲线和磁滞回线 图2-2 同一铁磁材料的一簇磁滞回线 图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态即BH0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Hm时B到达饱和值BmOabs称为起始磁化曲线。图2-1表明当磁场从Hm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”点而是沿另一条新的曲线SR下降比较线段OS和SR可知H减少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H0时B不为零而保留剩磁Br。 当磁场反向从0逐渐变至Hc时磁感应强度B消失说明要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RD称为退磁曲线。 图2-1还
表示当磁场按Hm→0→Hc→-Hm→0→Hc→Hm次序变化相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS’R’D’S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。 2基本磁化曲线 应该说明当初始态为HB0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2-2所示这些磁滞回线顶点A1、A2、A3、…的连线为铁磁材料的基本磁化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 不是常数而是随H而变化如图2-3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。 图2-3 铁磁材料μ与H关系曲线 图2-4 不同铁磁材料的磁滞回线 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2-4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。 3利用示波器观测磁滞回线的原理 图2-5 原理电路图 利用示波器观测磁滞回线的原理电路如图2-5所示。 待测样品为EI型矽钢片其上均匀地绕以磁化线圈N及副线圈n。交流电压u加在磁化线圈上线路中串联了一取样电阻R1。将R1两端的电压特斯拉实验UH加到示波器
的X输入端上对DC4322B示波器为通道Ⅰ。副线圈n与电阻R2和电容C串联成一回路。电容C两端的电压UB加到示波器的Y输入端上对DC4322B示波器为通道Ⅱ。下面我们来说明为什么这样的电路能够显示和测量磁滞回线。 ⑴ UHX输入与磁场强度H成正比 设矩形样品的平均周长为l磁化线圈的匝数为N磁化电流为i1注意这是交流电流的瞬时值根据安培环路定律有HlNi1即i1Hl/N。而UHR1i1所以可得 2-1 式中R1、l和N皆为常数可见UH与H成正比。它表明示波器荧光屏上电子束水平偏转的大小与样品中的磁场强度成正比。 ⑵ UBY输入在一定条件下与磁感强度B成正比 设样品的截面积为S根据电磁感应定律在匝数为n的副线圈中感应电动势应为 2-2 若副边回路中的电流为i2且电容C上的电量为q则应有 2-3 在上式中已考虑到副线圈匝数n较少因而自感电动势可忽略不计。在选定线路参数时有意将R2与C都选成足够大使电容C上的电压降UBq/C比起电阻上的电压降R2i2小到可以忽略不计。于是式2-3可以近似地改写成 2-4 将关系式 代入式2-4得 2-5 将上式与式2-2比较不考虑其负号在交流电中负号相当于相位差为±π时应有 将等式两边对时间积分时由于B和UB都是交变的积分常数为0。整理后得 2-6 至此可以看出在磁化电流变化的一周期内示波器的光点描绘出一条完整的磁滞回线。以后每个周期都重复此过程结果在示波器的荧光屏上看到一稳定的磁滞回线图形。 如将UH和UB加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度Bm、剩磁Br、矫顽力HC、
磁滞损耗BH以及磁导率 等参数。 图2-6 实际测量中的示意线路图 实际测量中的示意线路如图2-6所示。为了使R1上的电压降UH与流过的电流i1二者的瞬时值成正比相位相同R1必须是无感或电感极小的电阻。其次为了操作安全和调节方便在线路中采用了一个隔离降压变压器B以避免后面的电路元件与220 V市电直接相连。调压变压器用来调节输入电压u以控制磁化电流i1的大小。 【实验仪器】 THMHC型磁滞回线实验仪与磁滞回线测试仪、示波器。 【实验内容及步骤】 1电路连接选样品1按图2-9在实验仪上所给的电路图连接线路并令R12.5Ω“U选择”置于0位。UH和UB即U1和U2分别接示波器的“X输入”和“Y输入”“插孔⊥”为公共端。 2样器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0其目的是消除剩磁确保样品处于磁中性状态即BH0如图2-7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U1.5V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2-8所示这时可降低励磁电压U予以消除。 图2-7 退磁示意图 图2-8 UH和B的相位差等因素引起的畸变 4观察基本磁化曲线按步骤2对样品进行退磁从U0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。 5观察、比较样品1和样品2的磁化性能判定两样品的软、硬磁性。U1.5 V
或U2.0 VR12.5 Ω 6测绘H 曲线仔细阅读测试仪的使用说明见参考资料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U0.51.0……3.0V时的十组Hm和Bm值作H 曲线。 7令U1.5VR12.5Ω测定样品1的Bm、Br、Hc和BH等参数。 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。 【数据处理】 表2-1 基本磁化曲线与H 曲线 UV Hm×103安/米 Bm×10特斯拉 B/H亨利/米 0.5 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 表2-2 BH曲线 U1.5 VR12.5ΩHc Br Hm Bm BH No H×103A/m B×10T No H×103A/m B×10/m No H×103A/m B×10A/m 【思考题】 1铁磁物质的特点是什么 2什么是硬磁材料与软磁材料 3如何确定磁导率如何判断铁磁材料的磁滞损耗的大小 4实验中如何对材料进行退磁使材料处于磁中性状态
发布评论