用示波器观察铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线.doc

实验23 用示波器观察铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线 磁性材料应用十分广泛，从永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存储用的磁带、磁盘等材料都采用磁性材料。基本磁化曲线和磁滞回线反映了磁性材料的主要特征。通过实验研究这些性质不仅可以掌握用示波器观察、测量磁化曲线和磁滞回线的基本方法，而且还可以从理论和实际应用上加深对磁性材料磁特性的认识。 铁、钴、镍及其众多合金，以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁材料。铁磁材料分为硬磁和软磁两大类，其根本区别在于剩磁Br和矫顽力Hc的大小不同。硬磁材料的磁滞回线宽，剩磁、矫顽力大（达120~20000A/m以上），因而磁化后，其磁感应强度可长久保留，适宜做永久磁铁。软磁材料的磁滞回线窄，矫顽力Hc一般小于120A/m，但磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，因而广泛用于电机、电器和仪表制造等工业部门。铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料的重要特性，也是设计电磁机构和仪表的重要依据之一。 本实验采用动态法测量磁滞回线。需要说明的是，用动态法测量的磁滞回线与静态磁滞回线是不同的，动态测量时除了磁滞损耗还有涡流损耗，因此动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积大一些。另外涡流损耗还与交变磁场的频率有关，所以测量的电源频率不同，得到的B—H曲线是不同的，这可以在实验中清楚地从示波器上观察到。 【实验目的】 掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的主要物理量——矫顽力，剩磁和磁导率的理解； 2、学会用示波法测绘基本磁化曲线和磁滞回线。 【实验原理】 1、磁化曲线。 如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质，则磁场将明显增强，此时铁磁物质中的磁感应强度比单纯由电流产生的磁感应强度增大百倍，甚至千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系： 图23—1　　磁化曲线和μ—H曲线 　　 图23—2 　起始磁化曲线与磁滞回线 对于铁磁物质而言，磁导率μ并非常数，而是随H的变化而变化的物理量，即μ＝f(H)，为非线性函数。所以B与H也是非线性关系，如图23—1所示。 铁磁材料的磁化过程为：从未被磁化的状态（又称“去磁状态”）开始，在铁磁材料上外加一个由小到大的磁化场，则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大，其B－H变化曲线如图23—1所示。但当H增大到一定值（Hs）后，B几乎不再随H的增加而增加，说明磁化已达饱和。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的“起始磁化曲线”，如图23—1中的Os段曲线所示。 磁滞回线。 当铁磁材料的磁化达到饱和之后，如果将外磁化场减小，则铁磁材料内部的B和H也随之减小，但其减小的过程并不是沿着Os段退回。显然，当磁化场撤销，H=0时，磁感应强度B仍然保持一定的数值B=Br，称为“剩磁”（剩余磁感应强度）。 若要使被磁化的铁磁材料的磁感应强度B减小到0，必须加上一个反方向磁场并逐步增大。当铁磁材料内部反向磁场强度增加到H=Hc时（图23—2上的c点），磁感应强度B才为0，达到退磁。图23—2中的bc段为退磁曲线，Hc为矫顽力。如图23—2所示，当H按照0→Hs→0→－Hc→－Hs→0→Hc→Hs的顺序变化时，B沿相应的磁化曲线0→Bs→Br→0→－Bs→－Br→0→Bs的顺序变化，所形成的封闭曲线sbcdefs称为“磁滞回线”。由图23—2可知： （1）当H=0时，B≠0，这说明铁磁材料还残留一定值的磁感应强度Br，通常称Br为铁磁物质的“剩余磁感应强度”（剩磁）。 （2）若要使铁磁物质完全退磁，即B=0，必须加一个反方向磁场Hc，这个反向磁场强度Hc称为该铁磁材料的“矫顽力”。 （3）B的变化始终落后于H的变化，这种现象称为“磁滞现象”。 （4）H上升或下降到同一数值时，铁磁材料内部的B值并不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。 （5）当从初始状态H=0，B=0开始周期性地改变磁场强度的幅值时，在磁场由弱到强单调增加的过程中，可以得到面积由小到大的一簇磁滞回线，如图23—3所示。其中最大面积的磁滞回线称为“极限磁滞回线”。 （6）由于铁磁材料磁化过程的不可逆性以及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，必须首先将铁磁材料进行退磁，以保证外加磁场时H=0，B=0；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减小，不能时增时减。在理论上，要消除剩磁Br,只需通一反向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可。实际上，矫顽力的大小通常并不知道，因此无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示，如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后逐渐减小磁化电流，同时不断改变磁化电流的方向，最终使磁化电流为0，则该材料的磁化过程就是一连串逐