实验二十三 示波器法测定铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

1、实验二十三 示波器法测定铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线【目的】1.了解用示波器法显示磁滞回线的基本原理2.学会用示波器法测绘磁化曲线和磁滞回线【原理】4-48 磁滞回线1.铁磁材料（如铁、镍、钴和其他铁磁材料）除了具有高的磁导率外，另一个重要的特点就是磁滞。磁滞现象是材料磁化时，材料内部磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且与以前的磁化状态有关。图4-48表示铁磁质的这种性质，设铁磁质在开始时没有磁化，如磁场强度H逐渐增加，B将沿oa增加，曲线oa叫做起始磁化曲线，当H增加到某一值时，B几乎不变。若将磁场强度H减小，则B并不沿原来的磁化曲线减小，而是沿图中ab曲线下降，即使H降到零（图中b

2、点），B的值仍接近于饱和值，与b点对应的B值，称为剩余磁感应强度B（剩磁）。当加反向磁场H时，B随着减小，当反向磁场H达到某一值（如图中c点）时，B=0，与oc相当的磁场强度H称为矫顽磁力。当反向磁场继续增加时，铁磁质中产生反向磁感应强度，并很快达到饱和。逐渐减小反向磁场强度，减到零，再加正向磁场强度时，则磁感应强度沿defa变化，形成一闭合曲线abcdefa，称该闭合曲线为磁滞回线。由于有磁滞现象，能够有若干个B值与同一个H值对应，即B是H的多值函数，它不仅与H有关，而且与这铁磁质磁化程度有关。例如：与H=0相应的B有以下3个值。B0的o点，这与原来没有磁化相对应。BB，这是在铁磁质已磁化后

3、发生的。BB，这是在反向磁化后发生的。必须指出，当铁磁材料从未被磁化开始，在最初的几个反复磁化的循环内，每一个循环H和B不一定沿相同的路径进行（曲线并非闭和曲线）。只有经过十几次反复磁化（称为“磁锻炼”）以后，才能获得一个差不多稳定的磁滞回线。它代表该材料的磁滞性质。所以样品只有“磁锻炼”后，才能进行测绘。不同铁磁材料，其磁滞回线有“胖”、“瘦”之分，通常根据磁滞回线的不同形状将磁铁分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料等几种。软磁材料的磁滞回线窄而长，剩余磁感应强度B和矫顽力H都很小，其基本特征是磁导率高，易于磁化及退磁。软铁、硅钢等属于这一类，它们常用来制造变压器及电机的转子。当铁磁质反复被磁化

4、时，介质要发热。实验表明，反复磁化所产生的热与磁滞回线包围的面积成正比，变压器选用软磁材料就是考虑了这一点。硬磁材料的磁滞回线较宽，B和H都较大，因此，其剩余磁感应强度B可保持较长时间。铬、钴、镍等元素的合金属属于硬磁材料。它常用于制造永久磁铁。矩磁材料的磁滞回线接近矩形，其特点是剩余磁感应强度B接近饱和时的B，矫顽磁力小。若使矩磁材料在不同方向的磁场下磁化，当磁化电流为零时，他仍能保B和B2种不同的剩磁，矩磁材料常用作记忆元件，如电子计算机中存储器的磁芯。软磁材料和硬磁材料的根本区别在于矫顽磁力H的差别。对于高磁导率的软磁材料，H很小，只有110 A/m；对高矫顽磁力硬磁材料，H在105 A

5、/m以上；矩磁材料的矫顽磁力H一般在102 A/m以下。图4-49 退磁示意图可见，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构和仪表的重要依据之一。由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H0时，B0；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。退磁方法，从理论上分析，要消除剩磁B，只要通一反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行了，实际上，矫顽磁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，然后不断改变磁化

6、电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零。那么该材料磁化过程是一连串逐渐缩小而最终趋向原点的环状曲线，如图4-49所示，当H减小到零时，B亦同时降到零，达到完全退磁。总结以上情况，在进行测量时，一般要先退磁，再进行“磁锻炼”，然后进行正式测量。2.示波器显示磁滞回线的原理图4-50测定装置图示波器法正广泛用在交变磁场下观察、拍摄和定量测绘铁磁材料的磁滞回线。但是怎样才能使在示波器的荧光屏上显示出磁滞回线（即B-H曲线）呢？显然，我们希望在示波器的X偏转板输入正比于样品的励磁场H的电压，同时又在Y偏转板输入正比于样品中磁感应强度B的电压，结果在屏幕上得到样品的B-H回线。用待测铁磁材料制成

7、的圆环，再在外面紧密绕上原线圈（励磁线圈）N和副线圈（测量线圈）N，参见图4-50。当原线圈N中通过磁化电流I时，此电流在圆环内产生磁场。根据安培环路定律HL NI，磁场强度的大小为 （4-36）其中 N为原线圈的匝数，L为圆环的平均周长。如果将电阻R上的电压U= IR(注意：I和U是交变的)，取出来加在示波器X偏转板上，则电子束在水平方向上的偏移跟磁化电流I成正比，按照式（4-36）有所以 （4-37）它表明，在交变磁场下，在任一瞬时t，如果将电压U接到示波器X轴输出端，则电子束在水平的偏转正比于励磁场强度H。为了获得跟样品中磁感应强度瞬时值B成正比的电压Uy ,采用电阻R和电容C组成的积分

8、电路，并将电容C两端的电压U接到示波器Y轴的输出端。因交变的磁场H在样品中产生交变的磁感应强度B，结果在副线圈N内产生感应电动势，其大小为NS （4-38）式中N为副线圈匝数，S为待测铁磁质圆环的截面积。忽略自感电动势后，对于副线圈回路有UIR （4-39）为了如实地绘出磁滞回线，要求：积分电路的时间常数RC应比1/（2f）（其中f为交流电频率）大100倍以上，即要求R比1/（2f C）（电容C的阻抗）大100倍以上，这样U与IR相比可忽略（由此带来的误差小于1），于是（4-39）式简化为IR （4-40）但R比1/（2f C）不能过大，过大了使U值过小，显然也就困难了。在满足上述条件下，U的

9、振幅很小，如将它直接加在Y偏转板上，则不能绘出大小合适需要的磁滞回线，为此，须将U经过Y轴放大器增幅后输至Y偏转板。这就要求在实验磁场的频率范围内，示波器的放大器的放大系数必须稳定，不然会带来放大的相位畸变和频率畸变，而出现磁滞回线“打结”现象，而无法进行定量测量。此时适当调节R阻值有可能得到最佳磁滞回线图形。利用（4-40）式的结果，电容C两端的电压表示为 U （4-41）这表明输出电压是感应电动势对时间的积分，这也是“积分电路”名称的由来。将（4-41）式代入上式得到U （4-42）（4-42）式表明，接在示波器Y轴输出端的电容C上的电压U（即Uy）值正比与B。 这样，在磁化电流变化的一个

10、周期内，电子束的径迹描出一条完整的磁滞回线，以后每个周期重复此过程。我们可逐渐调节输入交流电压，使磁滞回线由小到大扩展，把逐次在坐标纸上记录的磁滞回线顶点的位置联成一条曲线。这条曲线就是样品的基本磁化曲线。测定磁滞回线上任一点的B、H值的时候，在保持测绘BH曲线时示波器的水平增益和垂直增益不改变的前提下，把磁性材料测定仪上的标准正弦波形电压源先后加到示波器的X、Y轴的输出端，用面板上的高内阻毫伏表测量电压的有效值U、Uy，电压的振幅为再用透明小米尺分别测量出荧光屏上水平线段和垂直线段的长度，设为n（cm）、ny（cm），于是得到此时示波器X轴和Y轴输入的偏转因数D和Dy（即电子束偏转一厘米所需

11、外加的电压）为为了得到磁滞回线上所求点的B、H值，需要测出该点在屏上坐标x（cm）、y（cm），从而计算出加在示波器偏转板上电压：UDX和UyDyY，然后再按（4-37）和（4-42）式计算：H （4-43）B （4-44）式中各量的单位：R、R为欧姆（）；L为米（m）；S为平方（m）；C为 法（F）；D、Dy为伏/厘米(V/cm)；X、Y为厘米(cm)；H为安/米（A/m）；B为特（T）。【仪器】磁滞回线测试仪1台，高内阻交流毫伏表，铁磁材料测试板；SB-10示波器1台；测试样品2片；透明米尺1根。【实验内容与步骤】本实验内容为：测绘硅钢片铁磁材料的基本磁化曲线；测绘硅刚片铁磁材料的磁滞回线

12、。具体操作步骤如下。图4-51 仪器连接图1.调整仪器按图4-51连接线路，先调电压调节旋钮为零，再调节示波器，使电子束光点呈现在荧光屏坐标网格中心。2.测绘基本磁化曲线把电压调节旋钮调到零，然后逐渐调节电压调节旋钮使电压逐渐升高（由测定面板上表头指示可观察到），屏上将出现磁滞回线的图像（如磁滞回线在二、四象限时，可将X（或Y）轴输入端的两根导线互换位置）调节示波器垂直增益，使图形大小适当。待磁滞回线接近饱和后，逐渐减小输出电压至零，目的是对样品进行退磁。从零开始，逐渐升高输出电压（分2、4、6、8、10、12、14 V）8挡进行，使磁滞回线由小变大，分别记录每条磁滞回线顶点坐标，描在坐标纸上，并将所描各点连成曲线，就可得出基本磁化曲线3.测绘磁滞回线调节输出电压到某值，然后，调节示波器垂直增益和水平增益，使磁滞回线大小适当。在方格纸上按11（或12）的比例描绘屏上显示的磁滞回线，记下有代表性的某些点，如图4-48中的a、b、c、d、e、f点的坐标X、Y 。测L、S值，记下R、R、C、N、N值。测定示波器的偏转因数D、D，按（4-43）式和（4-44）式算出跟X 、Y点对应的H、B值，标在坐标纸上并描绘出磁滞回线。【思考题】1.什么叫铁磁材料的磁滞现象？2.什么叫铁磁材料