用示波器观察铁磁材料动态磁滞回线

用示波器观察铁磁材料动态磁滞回线

用示波器观察铁磁材料动态磁滞回线

【摘要】铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性。软磁材料的矫顽力Hc小于100A/m，常用做电机、电力变压器的铁芯和电子仪器中各种频率小型变压器的铁芯。磁滞回线是反映铁磁材料磁性的重要特征曲线。矫顽力和饱和磁感应强度Bs、剩磁BrP等参数均可以从磁滞回线上获得.这些参数是铁磁材料研制、生产、应用是的重要依据。

【关键词】磁滞回线 示波器 电容 电阻 Bm Hm Br H

【引言】铁磁物质的磁滞回线能够反映该物质的很多重要性质。本实验主要运用示波器的X输入端和Y输入端在屏幕上显示的图形以及相关数据，来分析形象磁滞回线的一些因素,并根据数据的处理得出动态磁滞回线的大致图线。

【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HD、Br、BS和（Hm·Bm）等参数。
3. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

【实验仪器】
电阻箱(两个),电容(3-5微法)，数字万用表，示波器，交流电源，互感器。

【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HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从HS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－HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD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1还表明，当磁场按HS→O→HD→-HS→O→HD´→HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化，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。

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。R1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L为样品的平均磁路∵（1）式中的N1、L、均为已知常数，所以由可确定H。

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（2）S为样品的截面积。如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为式中为感生电流，UB为积分电容C两端电压,设在Δt时间内，i2向电容的充电电量为Q，则如果选取足够大的R2和C，使i2R2＞＞Q/C，则∵（3）由（2）、（3）两式可得（4）上式中C、R2、n和S均为已知常数。所以由UB可确定B0

综上所述，将图5中的UH和UB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；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BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗〔WBH〕以及磁导率µ等参数。

【实验内容与步骤】
一 根据线圈阻值估计线圈匝数
1 按照图示连接电路;
2 移动滑动变阻器,使电流表和电压表的示数超过2/3表盘,然后记录电压表电流表的示数.
3 分别测左线圈和右线圈的阻值;
4 测量线圈直径,计算线圈的横截面积.

二 不同电压下磁滞回线数据的测量

1. 电路连接：按电路图连接线路，并令R1＝2.5Ω。UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”。
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10V，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，如图6所示。
3. 观察磁滞回线：开启示波器电源，调至X-Y方式，且X输入端和Y输入端都为“DC”。令光点位于坐标网格中心，令U＝6.0V，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. 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Hm和Bm值，作μ～H曲线。
6. 令U=11.0V，R1＝2.5Ω测定样品1的BS,Rr,HD,WBH,等参数。
7. 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。

【数据记录及处理】
一 根据线圈阻值估计线圈匝数。
已知0.5mm直径的漆包线每米长度对应1.678欧姆。

二 不同电压下磁滞回线数据的测量
励磁绕组N1(砸)：180 测量绕组N2(砸)：65 平均磁路L(mm)：50
电容C(μF)：4.3 电阻R1(Ω)：2.5 电阻R2(kΩ)：60 截面S(mm2)： 200

利用上表，根据hm与bm等数据求出Hmi与Bmi，如下：
Hmi=N1hmi/LR1 Bmi=R2C2bmi/N2S
其中:N1=180 , N2=65 , L=50mm
当路端电压为11.0V时,磁滞回线包围的面积不再增大,达到饱和磁滞回线.如下图，此时：

【误差分析及改进】
实验中误差的来源主要是一：线圈本身有内阻，使得数据处理过程中对R1的处理偏小，使最终计算出的Hm偏大；二 对线圈匝数和线圈横截面积的估算，由于实验仪器参数的缺失，利用估算出的数据进行数据处理会有一定的偏差。

改进方法：可以利用低电阻测量阻值的方法，利用开尔文电桥法通直流电源然后测量线圈的确切阻值，从而利用线圈估算线圈匝数的时候也可以精确一些。

【实验过程中现象的讨论及应注意的问题】
在实验过程中注意到：1随着电源频率的增加，磁滞回线逐渐变化，最终当电源频率超过1kz时，磁滞回线会变成椭圆，这表明铁磁介质的磁化特性随着磁化信号频率的变化而变化。2随着R2的增大，磁滞回线的面积也随之增大，这是因为Bmi=R2C2bmi/N2S，Bm与R2成正比；3随着R1的增大，磁滞回线额大面积反而减小，这是因为Hmi=N1hmi/LR1，Hm与R1成反比。

实验时应注意的问题：1在调节SS-7802A示波器的过程中注意选择X-Y档，X输入和Y输入均选用DC档；2注意R1的阻值要选择小一点的2-3欧姆，R2的阻值要选择的大一些，60000欧姆以上，电容的值要选择在5-10微法左右。