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(精)

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】1.铁磁材料（如铁、馍、钻和其他铁磁材料）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4-48磁滞回线磁场弓虽度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

2、， 即使H降到零（图中b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 He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。B=

3、0的。点，这与原来没有磁化相对应。B = B r ,这是在铁磁质已磁化后发生的。B= B r ,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Br和矫顽力He者B很小，其基本特征是磁导

4、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，Br和He都较大，因此，其剩余磁感应强度Br可保持较长时间。铭、钻、馍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Br接近饱和时的Bm,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*DBr2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

5、根本区别在于矫顽磁力H c的差别。对于高磁导率的软磁材料， He很小，只有110 A/m；对高矫顽磁力硬磁材料， He在105 A/m以上；矩磁材料的矫顽磁力 小一般在102 A/m以下。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H =0时，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

6、，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

7、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的 圆环，再在外面紧密绕上原线 圈（励磁线圈）N 1和副线圈（测 量线圈）W,参见图4-50。当原线圈N 1中通过磁化 电流Ii时，此电流在圆环内产 生磁场。根据安培环路定律HL =图4-49 退磁示意图图4-50测定装置图N 1 11 ,磁场强度的大小为N1I1 H -L(4-36)其中Ni为原线圈的匝数，L为圆环的平均周长。如果将电阻Ri上的电压Ux= IiRi（注意：I1和Ux是交变的）,取出来加在示波器 化电流I1成正比，按照式（4-36）有X偏转板上，

8、则电子束在水平方向上的偏移跟磁I1HLN1所以NJ(4-37)它表明，在交变磁场下，在任一瞬时t,如果将电压Ux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Ho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R2和电容C组成的积分电路，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 N2内产生感应电动势，其大小为£2=d=N2 sdB dt dt(4-38 )式中N 2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£ 2= Uc + hR2（4-39）为

9、了如实地绘出磁滞回线，要求：积分电路的时间常数 R2c应比1/ （2兀f）（其中f为交流电频率） 大100倍以上，即要 求R2比1/（2/C）（电容C的阻抗）大100倍以上，这样 5与I1R2相比可忽略（由此带 来的误差小于1%）,于是（4-39）式简化为£2=I2R2（4-40）但R2比1/ （2% f C）不能过大，过大了使 Uc值过小，显然也就困难了。在满足上述条件下，Uc的振幅很小，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 5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

10、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R2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UcQ 1. .1.=-01dt = 62 dtC CCR2(4-41)这表明输出电压是感应电动势e 2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N2s dB2dtCR2 dtN2sCR2B0dBn2sB CR2(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Uc （即Uy）值正比与Bo这样，在磁化电流变化的一个周期内，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

11、。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Uxe、Uye,电压的振幅的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 为U xmax = 2U xeUymax =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nx（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 x和Dy （即电子束偏转一厘米所

12、需外加的 电压）为DxU xmax2Uxmax2 2UxenxnxDyU y max2Uymax2 2U ye为了得到磁滞回线上所求点的nynynyB、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:Ux = DxX 和 Uy=DyY,然后再按(4-37)和(4-42)式计算:NRLR1(4-43)RlCDyYn2s(4-44)图4-51仪器连接图一 一 .一 一、2一 一式中各量的单位：Ri、R2为欧姆（ ）; L为米（m） ; S为平万（m ）; C为法（F）;Dx、Dy为伏/厘米（V/cm） ； X、Y为厘米（cm）; H为安/米（A/m ）;

13、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。具体操作步骤如下。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

14、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1 ： 1 （或1 ： 2）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X1、Yi 。测L、S值，记下 Ri、R2、C、Ni、N2值。测定示波器的偏转因数Dx、Dy,按（4-43）式和（4-44）式算出跟Xi、Yi点对应的凡、Bi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