2022年铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 .pdf

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：1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。2测定样品的基本磁化特性曲线(Bm-Hm曲线 )，并作 H 曲线。3测绘样品在给定条件下的磁滞回线，以及相关的Hc，Br，Bm，和 H B 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 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与磁场强度 H 之间的关系曲线。B (Bm)BSs r b c a H -HS-HC0 HCHS(Hm) R -Brs-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 的值到达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。图一还说明， 当外磁场按Hs 0-Hc-Hs0 Hc Hs次序变化时， 相应的磁感应强度则按闭合曲线 srcs r cs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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页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 B/H因 B 与 H 是非线性关系，所以铁磁材料的磁导率不是常数，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。 -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-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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页待测样品有两种，为E 型的钢片形式。N 为励磁绕组匝数，n 为测量磁感应强度B 所用的测量绕组匝数。 R1为励磁电流限流电阻，同时也是输出UH的取样电阻。设通过励磁线圈的励磁电流为I1，则根据安培环路定律，样品的磁化场强为，在任意时刻H?dl = IH= i1N/L i1=U1/R1L 为样品的平均磁路长度 H=(N/LR1)U1。所以，我们可以通过测量U1，计算出场强H。在交变磁场作用下，样品的磁感应强度值B 瞬时值是由测量绕组n 和 R2、C2电路来给定。根据法拉第电磁感应定律，由于测量绕组中磁通变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：2= nd / d t根据磁感应强度定义：B= /S B=(1/nS) 2 dt 。其中 S 为样品的横截面积。在测试回路中；根据基尔霍夫定律有2=i2R2+U2+i2r-L2di2/dt 式中 R 为测试线圈内阻，L2为测试线圈自感。测试线圈的自感和内阻都很小，我们把它们忽略，则回路方程为：2=i2R2+U2U2=Q/C2由于我们选用的R2和 C2都比较大，而 i2R2和Q/C2相比较 , i2R2 Q/C2所以又把回路方程近似为：2=i2R2而i2=C2dU2/dt 所以2=R2C2dU2/dt 。由，得出B= R2C2/nS U2 。所以，测得U2，便可计算出B。综上所述，我们将U1、U2加到示波器的x、 y 输入端上，便可看到样品的磁滞回线B-H 线加到测试仪上，可对样品的磁滞回线多点采样测定，并计算出此测试条件下的饱和磁感应强度Bm，剩磁 Br，矫顽力 Hc和磁滞损耗 BH 。及磁导率。三、实验内容1电路连接：在实验仪上选定一个样品，按实验仪机箱上所给定的电路图连接线路，把R1选择调到 2.5 ，U 选择调节到0，UH和 UB分别连接到示波器的通道1CH1 X和通道 2 CH2 Y端子。插孔为公共。将示波器的TIME/DIV旋钮反时针旋到底X-Y 档。2样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁。即顺时针转动“U 选择 ” 旋钮，令U 从 0 增加到精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页3V，然后再反时针方向转动，将 U 从最大值3V 减到 0，目的是消除剩磁，使测试样品处于磁中性状态。即 B=H=0 ，如图六所示。3、观察磁滞回线：打开示波器电源，适当调节光点的亮度INTEN 和聚焦 FOCUS，使光点清晰，同时调节光点的水平位置和CH2 的垂直位置，使光点位于坐标网格的中心。令U=2.2V ，分别适当调节 CH1 和 CH2 的灵敏度 VOLTS/DIV 使显示屏上出现大小适当的磁滞回线，假设滞回线顶部出现编织状小环如图上所示，可以适当降低励磁电压予以消除。4 观察、比较样品1 和样品 2 的磁滞回线。请注意，在将测试线路从一个样品移向另一个样品时，请关闭测试电源。接入样品后，首先应退磁。5 测绘样品的曲线，关闭示波器和实验仪电源，撤去示波器，输入探笔，将实验仪的Y UB，和m和 Bm值使用测试议的功能7 做测试，使用功能11 显示填入表一，计算出 值，用坐标纸画出基本磁化曲线B-H 曲线和 H 线。6、 令 U=3.0V 、R=2.5，先退磁，使用测试仪的功能7 做一次给定条件下的磁滞回线测试，用功能8，读出本次测试中近300 个点的 B，H 值，记入表一，并用功能11 读出 Bm,用功能 9 读出本次磁滞回线的 Hc和 Br，用功能10 读出本次磁滞回线的磁滞损耗HB ，填入表二 ,填表时请注意所使用的倍数。记下所用倍数代号和倍数值。7、根据步骤6 中所测得的B、H 值用坐标纸绘制出磁滞回线(B-H 曲线 )，如何取数，取多少个数，请自行考虑。四、实验记录表一、基本磁化曲线Bm-Hm曲线和 H 曲线。测试条件：样品号：仪器号：单位：H：B： ：U HmBm精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页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= No H B No H B No H B 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页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。壹、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。1、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。2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=50 n=150 L=60mm S=80mm23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。4实验接线示意图试样精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页二、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。1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=60 cm 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 间任选R2、积分电阻阻值 10K固定C2、积分电容20 f 固定UH、正比于磁场强度的有效值电压供调试用电压范围01VUB、正比于磁感应强度B 的有效值电压供调试用01V。3瞬时值B 与 H 的计数算公式。H=(N/LR1)U1B=R2C2/nSU2 4测试仪按键功能说明：共有按键五个，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。确认键：当选定某功能后，按下此键，测试仪便执行选定功能。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，循环移动数据键：用于在选定的位置上输入数字，每按动一次，数字由09 循环选择。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：显示所测样品的N 和 L 值，不使用确认键。H . 0 0 5 0 B L. 0 6 0 0 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页千匝百匝十匝个匝百十个分毫米这里显示显示所测样品的和值，不用确认H n. 1 5 B S. 0 8 0 0千百十个匝百十个分毫米显示值和与值的倍数代码，不用确认H 1. 2 5 0 B S. 3 b. 3 1 0.1 0.01 H 与 B 的倍数代号1 101 1 10-12 102 2 100倍数3 103的倍数3 101 4 104 4 1025 105 5 103显示电阻和数值不用确认H 2. 1 0 0 B 2. 2 0 0 显示和的测量值在按确认键后H U h C. B U b C. H 0. 9 5 3 2 B 0. 1 2 0 2 显示和的有效值显示每周期采样的总点数和测试信号频率，使用确认键，H . B F. 使用确认键后H . 3 0 8 B F. 4 9. 9 显示对磁滞回线采样308 点，测量信号频率49.9 HZ数据采样，即进行测量使用确认键。H H . 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：H H. b. B C o o d. 表示样测试成功。如果测试仪显示B b a d. 表示系统有故障，应查明原因后再使用。显示磁滞回线上各样点的 B 和 H 的瞬时值。H H. S H B b. S H 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H . B 2 第二次按确认键显示该点的B 和 H 值H 0. 0 0 4 B 0. 0 0 5 3 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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页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。H H. 0. 0 2 8 B b. 0. 0 7 0 显示样品的本次磁滞回线的磁滞损耗，按功能键H A .=B H. b. 按确认键后，窗口显示按步序3 所确定的单位，计算出的本次磁滞回线的面积H H. b. = B 0. 0 1 8 7 所确定的单位磁滞损耗的计算公式为：单位为 HB103J/m3显示本次测量中的H 和 B 的最大值， Hm和 Bm，按功能键后，H H . B b 经确认后：H H. 0. 5 4 1 B b. 0. 0 7 2 其余功能略，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页