南昌大学物理实验报告
课程名称： 大学物理实验
实验名称： 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
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实验时间：
一、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。 二、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SRDS?R?D?S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。图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线 图2 同一铁磁材料的 一簇磁滞回线 图 3 铁磁材料μ与H并系曲 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μ?B，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H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。
图 4 不同铁磁材料的磁滞回线 图5 实验线路 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 H? ∵ i?N1i L为样品的平均磁路 LU1R1 ?H?N1?UH （1） LR1(1)式中的N1、L、R1均为已知常数，所以由UH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R2C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?n??d?dt1?2dt?n?1B???2dtSnS? (2) ε2?i2R2?UB 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i2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C2的充电电量为Q，则 UB?QQ ?ε2?i2R2? CC如果选取足够大的R2和C，使i2R2>>Q/C，则 ?2?i2R2 dUBdQ ?C2dtdtdUB ?ε2?C2R2 (3) dt ∵ i2?由（2）、（3）两式可得 B?CR2UB （4） N2S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。 三、实验内容和步骤： 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）。
图6 退磁示意图 图7 UB和B的相位差等因素引起的畸变 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。 四、实验数据与处理： 电容C1(μF)：20 电阻R1(Ω)：2.5 电阻R2(kΩ)：10 截面S(mm)： 80 励磁绕组N1(匝)：150 测量绕组N2(匝)：150 平均磁路L(mm)：60 表一 基本磁化曲线与μ－H曲线 U（V） 0.5 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 H×10安/米 42B×10特斯拉 2μ＝B/H享利/米 0.005333333 0.01 0.012 0.018666667 0.024 0.029333333 0.033333333 0.043333333 0.05 0.056666667 0.000666667 0.001083333 0.001416667 0.00175 0.002 0.00225 0.0025 0.002666667 0.002833333 0.003 0.00125 0.001083333 0.001180556 0.0009375 0.000833333 0.000767045 0.00075 0.000615385 0.000566667 0.000529412