铁磁材料的磁滞回线和磁化曲线

　　铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。如航天、通信、自动化仪表及控制等都无不用到铁磁材料(铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物均属铁磁物质)。因此，研究铁磁材料的磁化性质，不论在理论上，还是在实际应用上都有重大的意义。本实验使用单片机采集数据，测量在交变磁场的作用下，两个不同磁性能的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。

　　【原理】

　　1)铁磁材料的磁化及磁导率

　　铁磁物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁滞的特性。一般都是通过测量磁化场的磁场强度H和磁感应强度B之间的关系来研究其磁性规律的。

　　

　　图20—1　起始磁化曲线和磁滞回线

　　

　　图20—2　基本磁化曲线

　　当铁磁物质中不存在磁化场时，H和B均为零，即图20—1中B～H曲线的坐标原点0。随着磁化场H的增加，B也随之增加，但两者之间不是线性关系。当H增加到一定值时，B不再增加(或增加十分缓慢)，这说明该物质的磁化已达到饱和状态。Hm和Bm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度(对应于图中a点)。如果再使H逐渐退到零，则与此同时B也逐渐减少。然而H和B对应的曲线轨迹并不沿原曲线轨迹a0返回，而是沿另一曲线ab下降到Br，这说明当H下降为零时，铁磁物质中仍保留一定的磁性，这种现象称为磁滞，Br称为剩磁。将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到H=-Hc，磁感应强度消失，这说明要消除剩磁，必须施加反向磁场Hc。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。图20—1表明，当磁场按Hm→0→-Hc→-Hm→0→Hc→Hm次序变化时，B所经历的相应变化为Bm→Br→0→-Bm→-Br→0→Bm。于是得到一条闭合的B～H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)，它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，对于初始态为H=0，B=0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化的过程中，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图20—2所示。这些磁滞回线顶点的连线称

　　

　　图20—3　铁磁材料μ与H关系曲线

　　为铁磁材料的基本磁化曲线。由此可近似确定其磁导率μ=B/H。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20—3所示。在实际应用中，常使用相对磁导率μr=μ/μ0。μ0为真空中的磁导率，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。

　　2)B～H曲线的测量方法

　　实验线路如图20—4所示。待测样品为E1型矽钢片，励磁线圈匝数N1=50;用来测量磁感应强度B而设置的探测线圈匝数N2=150;R1为励磁电流取样电阻，R1为0.5Ω～5.0Ω。设通过励磁线圈的交流励磁电流为I1，根据安培环路定律，样品的磁化场强

　　

　　(20—1)

　　式中：L为样品的平均磁路，本实验L=60.0mm。设R1的端电压为U1，则可得

　　

　　因此，

　　

　　(20—2)

　　式(20—2)中的N1，L，R1均为已知常数，所以由U1可确定H。

　　

　　图20—4　磁滞回线测量线路

　　样品的磁感应强度B的测量是通过探测线圈和R2C2组成的电路来实现的。根据法拉第电磁感应定律，在交变磁场下由于样品中的磁通量φ的变化，在探测线圈中产生的感生电动势的大小

　　

　　(20—3)

　　由式(20—3)可推导出

　　

　　(20—4)

　　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

　　E=I2R2+U2

　　式中：I2为感生电流;U2为积分电容C2两端电压。设在Δt时间内，I2向电容C2的充电电量为Q，则

　　U2=Q/C2

　　因此E=I2R2+Q/C2

　　如果选取足够大的R2和C2，使I2R2>>Q/C2，

　　则E=I2R2

　　所以

　　

　　(20—5)

　　由式(20—4)和式(20—5)可得

　　

　　(20—6)

　　式中：C2，R2，N2和S均为已知常量(本实验中C2=20μF，R2=10kΩ，S=80mm2)，所以测量U2可确定B。

　　【实验要求】

　　(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R1=2.5Ω;“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)样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即按顺时针方向转动“U选择”旋钮，使U从0V增加至3V，然后逆时针方向转动旋扭使U从最大值降为0V，其目的是消除剩磁，即退磁过程，确保样品处于磁中性状态，即H=B=0，如图20—5所示。

　　

　　图20—5　退磁过程

　　(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，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(若图的顶部出现编织状的小环，可适当降低励磁电压U予以消除)。

　　(4)观察基本磁化曲线：按实验要求(2)对样品进行退磁，从U=0开始，逐步提高励磁电压，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，借助长余辉示波器，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μ～H曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，连接实验仪和测试仪之间的连线。开启电源，对样品进行退磁后，按测试仪使用说明依次测定U=0.5，1.0，…，3.0V时的10组Hm和Bm值，作μ～H曲线。

　　(7)令U=3.0V，R1=2.5Ω测定样品1的Bm、Br，Hc等参数。

　　(8)取实验要求(7)中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制B～H曲线，实验数据点数可取32～40点即每象限8～10点。