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动态磁滞回线和磁化曲线的测量
【实验目的】
(1)了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线的概念,加深对铁磁材料的重要物理量矫顽力、剩磁和磁导率的理解。
(2)用示波器测量软磁材料(软磁铁氧体)的磁滞回线和基本磁化曲线,求该材料的饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力和磁滞损耗。
(3)用示波器显示硬铁磁材料(模具钢)的交流磁滞回线,并与软磁材料进行比较。
【实验器材】
交流电源,调压变压器,螺绕环(=50匝,N2=150匝,L=60mm,S=80mm2,C=20),双踪示波器,变阻器,电容器,固定电阻若干,连接导线若干。
【实验原理】
磁性材料在通讯、计算机和信息存储、电力、电子仪器、交通工具等领域有着十分广泛的应用。磁化曲线和磁滞回线反映磁性材料在外磁场作用下的磁化特性,根据材料的不同磁特性,可以用于电动机、变压器、电感、电磁铁、永久磁铁、磁记忆元件等。铁磁材料分为硬磁和软磁两类。硬磁材料(如模具钢)的磁滞回线宽,剩磁和矫顽磁力较大(120-20000安/米,甚至更高),因而磁化后,它的磁感应强度能保持,适宜制作永久磁铁。软磁材料(如铁氧体)的磁滞回线窄,矫顽磁力小(一般小于120安/米),但它的磁导率和饱和磁感应强度大,容易磁化和去磁,故常用于制造电机、变压器和电磁铁。可见,铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是该材料的重要特性,也是设计电磁机构或仪表的依据之一。
因为交流电动机、变压器的铁芯都是在交流状态下使用的,所以动态磁滞回线的测量在工业中有极其重要的应用。
(1)铁磁物质的磁滞现象
铁磁性物质的磁化过程很复杂,这主要是由于它具有磁性的原因。一般都是通过测量磁化场的磁场强度和磁感应强度之间关系来研究其磁化规律的。
如图1所示,当铁磁物质中不存在磁化场时,和均为零,在?图中则相当于坐标原点O。随着磁化场的增加,磁感应强度也随之增加,但两者之间并不满足线性关系。当增加到一定值时,不再增加或增加的十分缓慢,这说明该物质的磁化已达到饱和状态。和分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度(对应于图中A点)。如果再使逐步退到零,则与此同时也逐渐减小。但是,其轨迹并不沿原曲线AO,而是沿另一曲线AR下降到,这说明当下降为零时,铁磁物质中仍保留一定的磁性。将磁化场反向,再逐渐增加其强度,直到,这时曲线达到A′点(即反向饱和点),然后,先使磁化场退回到;再使正向磁化场逐渐增大,直到饱和值为止。如此就得到一条与ARA′对称的曲线A′R′A,而自A点出发又回到A点的轨迹为一闭合曲线,称为铁磁物质的磁滞回线,此属于饱和磁滞回线。其中,回线和轴的交点值称为矫顽力;回线与轴的交点值称为剩磁。
(2)利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线
电路原理图如图2所示(图中正弦交流电源浮地)。将样品制成闭合环状,其上均匀地绕以磁化线圈N1及副线圈N2。交流电压加在磁化线圈N1上,线路中串联了一取样电阻,将两端的电压加到示波器的X轴输入端上。副线圈N2与电阻和电容串联成一回路,将电容两端的电压加到示波器的Y轴输入端,这样在示波器上可以显示和测量铁磁材料的磁滞回线。
=1\*GB3①磁场强度的测量
设环状样品的平均周长为,磁化线圈的匝数为,磁化电流为交流正弦波电流,由安培回路定律,而,而,所以可得
(1)
式中,为取样电阻上的电压。由公式(1)可知,在已知、和的情况下,测得的值,即可用公式(1)计算磁场强度的值。
=2\*GB3②磁感应强度的测量
设样品的截面积为,根据电磁感应定律,在匝数为的副线圈中感生电动势为
(2)
若副线圈所接回路中的电流为,且电容上的电量为,则有
(3)
在(3)式中,考虑到副线圈匝数不太多,因此自感电动势可忽略不计。在选定线路参数时,将和都取较大值,使电容上电压降,可忽略不计,于是(3)式可写为
(4)
把电流代入上式得
(5)
把(2)式代入(5)式得
(6)
在将此式两边对时间积分时,由于和都是交变的,积分常数项为零。于是,在不考虑负号(在这里仅仅指相位差±π)的情况下,磁感应强度
(7)
式中,、、和皆为常数,通过测量电容两端电压幅值代入公式(7),可以求得材料磁感应强度的值。
当磁化电流变化一个周期,示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线,以后每个周期都重复此过程,形成一个稳定的磁滞回线。
=3\*GB3③磁滞损耗的测量
由上可知,铁磁材料的磁性状态变化时,磁化强度滞后于磁场强度,它的
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