铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线实验讲义铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性，也是设计选用材料的重要依据。一：实验目的：认识铁磁材料的磁化规律，比较两种典型铁磁物质的动态磁特性。测定样品的基本磁化特性曲线(Bm-Hm曲线)，并作μ—H曲线。测绘样品在给定条件下的磁滞回线，以及相关的Hc，Br，Bm，和[HB]等参数。二：实验原理：铁磁物质是一种性能特异，在现代科技和国防上用途广泛的材料。铁，钴，镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，磁导率μ很高。另一特性是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁材料仍保留磁化状态。图一为铁磁物质的磁感应强度Β与磁场强度H之间的关系曲线。B (Bm)BS srb c a H -HS -HC 0 HC HS (Hm)Rˊ-Br sˊ -Bm图一铁磁物质的起始磁化曲线和磁滞回线图中的原点。表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=O。当外磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段落0a所示；继之B随H迅速增长，如ab段所示；其后，B的增长又趋缓慢；当H值增至Hs时，B的值达到Bs，在S点的Bs和Hs，通常又称本次磁滞回线的Bm和Hm。曲线oabs段称为起始磁化曲线。当磁场从Hs逐渐减少至零时，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到o点，而是沿一条新的曲线sr下降，比较线段os和sr，我们看到：H减小，B也相应减小，但B的变化滞后于H的变化，这个现象称为磁滞，磁滞的明显特征就是当H=0时，B不为0，而保留剩磁Br。当磁场反向从o逐渐变为-Hc时，磁感应强度B=O，这就说明要想消除剩磁，必须施加反向磁场，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，线段rc称为退磁曲线。图一还表明，当外磁场按Hs→0→-Hc→-Hs→0→Hc→Hs次序变化时，相应的磁感应强度则按闭合曲线srcs’r’c’s变化时，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁畴的存在，此过程要消耗能量，以热的形式从铁磁材料中释出。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。当初始态为H=B=O的铁磁材料，在峰值磁场强度H由弱到强的交变磁场作用下磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一组磁滞回线，如图二所示。这些磁滞回线顶点的连线称为该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是非线性关系，所以铁磁材料的磁导率μ不是常数，而是随H而变化，如图三所示。铁磁材料的磁导率可高达数千至数万，这一特点使它广泛地用于各个方面。 μ-H图二同一铁磁材料的一组磁滞回线图三铁磁材料基本磁化曲线和μ--H关系曲线磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类的主要依据，图四为常见的几种典型的磁滞回线。其中，磁滞回线宽者，为硬磁材料，适用制造永磁体，其矫顽力大。剩磁强，如钕铁硼合金。磁滞回线细而窄者，为软磁材料，矫顽力，剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机和交流电磁铁的主要材料。磁滞回线如矩形者，矫顽力小，剩磁大，B适于做记忆材料。如磁环、磁膜，广泛地应用于高科 矩技行业。 软硬 H 图四不同铁磁材料的磁滞回线观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。表二磁滞回线测试条件：U=R1=测试样品号： 仪器编号：所用倍数代码：倍数及单位：H：B：Hc=Br=Bm=[HB]=NoHBNoHBNoHB附录磁滞回线实验仪分为两部分，实验仪和测试仪，我们分两部分作介绍。实验仪、配合示波器，可以观察铁磁材料的磁滞回线和测定基本磁化曲线。它由励磁电源，试样，电路板及实验接线，接线图等部分组成。励磁电源由220V、50H市电，经变压器隔离，降压后，供磁化试样。励磁电源输出电压共分11档，即：0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V通过电路板上的波段开关“U选择”实现切换。试样试样有两个，样品1和样品2，它们的平均磁路长度L横截面积S相同而磁特性不同，两者的磁励绕组匝数N和测试绕组匝数n也相同，均制作为E型铁心型式。N=50n=150L=60mmS=80mm2电路板该印刷电路板上装有电源开关，样品1和样品2，励磁电压选择（U选择），和调节磁电流兼作H测量的取样电阻的R1选择开关。还有测量磁感应强度B所用的积分电路元件R2、C2。以上各元件（除电源开关）通过电路板与对应的连接用锁紧插孔相连接，只须采用专用插线，即可实现电路连接。电路板上还设有正比于磁感应强度B的电压VB和正比于磁场强度H的电压VH输出插孔，用于连接示波器，观察磁滞回线及连接测试仪作定量测试用。实验接线示意图试样二、测试仪测试仪和实验仪配合使用，能定量，快速测量铁磁材料，在反复磁化过程中的B和H的瞬时值，并能测出剩磁Br，矫顽力HC，饱和磁感应强度Bm，计算出磁滞损耗[HB]等各种相关参数。测试仪面板图：2．测试仪使用参数L、测试样品平均磁路长度已内置L=60cm可修改S、待测样品横截面积已内置S=80mm2可修改N、待测样品励磁绕组匝数已内置N=50可修改 n、待测样品磁感应强度B测量绕组匝数已内置n=150可修改R1、励磁电流选择及磁场强度H测量取样电阻可在0.5-5Ω间任选R2、积分电阻阻值10KΩ固定C2、积分电容20μf固定UH、正比于磁场强度的有效值电压供调试用电压范围（0~1V）UB、正比于磁感应强度B的有效值电压供调试用0~1V。3．瞬时值B与H的计数算公式。H=(N/LR1)U1B=（R2C2/nS）U24．测试仪按键功能说明：共有按键五个，⑴功能键：用于选择不同功能共有15种，每按一次，切换一种，在数码显示窗上，显示选定功能代码。⑵确认键：当选定某功能后，按下此键，测试仪便执行选定功能。⑶数位键：用于选定要输入的数字的位置，用闪动的小数点代表，每按一次由左向右，循环移动⑷数据键：用于在选定的位置上输入数字，每按动一次，数字由0－9循环选择。⑸复位键：开机后，显示器会依次巡回显示，P和8，表示测试仪处于待命状态，在做功能切换或测试仪工作不正常时，应按此键，使测试仪回到待命状态。5．测试仪功能介绍：⑴显示所测样品的N和L值，不使用确认键。HΠ.0050BL.0600千匝百匝十匝个匝百十个分毫米这里显示Ｎ＝５０Ｌ＝４０ｍｍ⑵显示所测样品的ｎ和Ｓ值，不用确认Hn.□15□BS.0800千百十个匝百十个分毫米２⑶显示Ｒ１值和Ｂ与Ｈ值的倍数代码，不用确认H┌1.250BS.3b.310.10.01H与B的倍数代号 1×101 1×10-1 2×102 2×100Ｈ倍数3×103Ｂ的倍数 3×101 4×104 4×102 5×105 5×103⑷显示电阻Ｒ２和Ｃ２数值不用确认H┌2.100B[2.200⑸显示ＵＨ和ＵＢ的测量值在按确认键后HUhC.BUbC.H0.9532B0.1202显示ＵＢ和ＵＨ的有效值⑹显示每周期采样的总点数和测试信号频率，使用确认键，HΠ.BF.使用确认键后HΠ.308BF.49.9显示对磁滞回线采样308点，测量信号频率49.9HZ⑺数据采样，即进行测量使用确认键。HH.b.测试仪将对一条磁滞回线，按功能6指定的点自动采样，测试，按确认键后窗口显H，。，。。B。、。。。持续一段时间，然后，窗口全暗，最后显示：HH.b.BCood.表示样测试成功。如果测试仪显示Bbad.表示系统有故障，应查明原因后再使用。⑻显示磁滞回线上各样点的B和H的瞬时值。HH.SH□Bb.SH□每按两次确认键，显示指定点的B和H瞬时值，其中，第一次按键，显示点序号。（右边窗口）HΠ□.B2第二次按确认键显示该点的B和H值H0.004B–0.0053显示格式如上，其中第一位是符号位。以4、1、2、3象限为序。全部数据读完后显示⑼显示本次磁滞回线的矫顽力Hc和剩磁Br使用确认键之后，窗口显示。HH.0.028Bb.0.070⑽显示样品的本次磁滞回线的磁滞损耗，按功能键HA.=B┌H.b.┘ 按