大学物理实验磁滞回线

时间:2024.4.20

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

【实验目的】

    1. 认识铁磁物质的磁化规律,比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性。

    2. 测定样品的基本磁化曲线,作μ-H曲线。

    3. 测定样品的HD、Br、BS和(Hm·Bm)等参数。

    4. 测绘样品的磁滞回线,估算其磁滞损耗。

【实验仪器】

DH4516型磁滞回线实验仪,数字万用表,示波器。

【实验原理】

铁磁物质是一种性能特异,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,故磁导率μ很高。另一特征是磁滞,即磁化场作用停止后,铁磁质仍保留磁化状态,图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。

图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态,即B=H=O,当磁场H从零开始增加时,磁感应强度B随之缓慢上升,如线段oa所示,继之B随H迅速增长,如ab所示,其后B的增长又趋缓慢,并当H增至HS时,B到达饱和值BS,oabs称为起始磁化曲线。图1表明,当磁场从HS逐渐减小至零,磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点,而是沿另一条新的曲线SR下降,比较线段OS和SR可知,H减小B相应也减小,但B的变化滞后于H的变化,这现象称为磁滞,磁滞的明显特征是当H=O时,B不为零,而保留剩磁Br。

当磁场反向从O逐渐变至-HD时,磁感应强度B消失,说明要消除剩磁,必须施加反向磁场,HD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RD称为退磁曲线。

图1还表明,当磁场按HS→O→HD→-HS→O→HD´→HS次序变化,相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化,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(如变压器中的铁心),将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。在此过程中要消耗额外的能量,并以热的形式从铁磁材料中释放,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。    应该说明,当初始态为H=B=O的铁磁材料,在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化,可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线,如图2所示,这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线,由此可近似确定其磁导率,因B与H非线性,故铁磁材料的μ不是常数而是随H而变化(如图3所示)。铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万,这一特点是它用途广泛的主要原因之一。

可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据,图4为常见的两种典型的磁滞回线,其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小,是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽,矫顽力大,剩磁强,可用来制造永磁体。文本框:  
图 4 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。待测样品为EI型矽钢片,N为励磁绕组,n为用来测量磁感应强度B而设置的绕组。R1为励磁电流取样电阻,设通过N的交流励磁电流为i,根据安培环路定律,样品的磁化场强

                L为样品的平均磁路 

        ∵

                                  (1)

(1)式中的N1、L、均为已知常数,所以由可确定H。

    在交变磁场下,样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和电路给定的,根据法拉第电磁感应定律,由于样品中的磁通φ的变化,在测量线圈中产生的感生电动势的大小为

                           (2)

S为样品的截面积。如果忽略自感电动势和电路损耗,则回路方程为

式中为感生电流,UB为积分电容C两端电压,设在Δt时间内,i2向电容的充电电量为Q,则

              

如果选取足够大的R2和C,使i2R2>>Q/C,则         

        ∵

                               (3)

由(2)、(3)两式可得

                                   (4)

上式中C、R2、n和S均为已知常数。所以由UB可确定B0

  综上所述,将图5中的UH和UB分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B-H曲线;如将UH和UB加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗〔WBH〕以及磁导率µ等参数。

【实验内容与步骤】

1. 电路连接:选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路,并令R1=2.5Ω,“U选择”置于O位。UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”,插孔⊥为公共端。

2. 样品退磁:开启实验仪电源,对试样进行退磁,即顺时针方向转动“U选择”旋钮,令U从0增至3V,然后逆时针方向转动旋钮,将U从最大值降为O,其目的是消除剩磁,确保样品处于磁中性状态,即B=H=0,如图6所示。

3. 观察磁滞回线:开启示波器电源,令光点位于坐标网格中心,令U=2.2V,并分别调节示波器x和y轴的灵敏度,使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线(若图形顶部出现编织状的小环,如图7所示,这时可降低励磁电压U予以消除)。

4. 观察基本磁化曲线,按步骤2对样品进行退磁,从U=0开始,逐档提高励磁电压,将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线。这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线,借助长余辉示波器,便可观察到该曲线的轨迹。

5. 观察、比较样品1和样品2的磁化性能。

6. 测绘μ-H曲线:仔细阅读测试仪的使用说明,接通实验仪和测试仪之间的连线。开启电源,对样品进行退磁后,依次测定U=0.5,1.0…3.0V时的十组Hm和Bm值,作μ~H曲线。

7. 令U=3.0V,R1=2.5Ω测定样品1的BS,Rr,HD,WBH,等参数。

8. 取步骤7中的H和其相应的B值,用坐标纸绘制B-H曲线(如何取数?取多少组数据?自行考虑),并估算曲线所围面积。

【数据记录及处理】

电容C(μF):20      电阻R1(Ω)2.5      电阻R2(kΩ):10        截面S(mm2): 120

励磁绕组N1(砸):150        测量绕组N2(砸):150          平均磁路L(mm):75

表一    基本磁化曲线与µ-H曲线

       

表二.磁滞回线        HD=        Br=        BS=      WBH=


第二篇:磁滞回线-大学物理实验


磁滞回线大学物理实验

磁导率-磁场强

0.0035

0.003

0.0025

0.002

磁导率

磁滞回线大学物理实验

0.0015

0.001

0.0005

0200400600

磁滞回线大学物理实验

磁场强度

800

10001200

磁滞回线大学物理实验

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