物理实验报告 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

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1、实验２０　铁磁材料的磁滞回线及基本磁化曲线　　铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。如航天、通信、自动化仪表及控制等都无不用到铁磁材料（铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物均属铁磁物质）。因此，研究铁磁材料的磁化性质，不论在理论上，还是在实际应用上都有重大的意义。本实验使用单片机采集数据，测量在交变磁场的作用下，两个不同磁性能的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。【预习重点】　　（１）看懂实验原理图及接线图。　　（２）复习示波器的使用方法。　　参考书：《电磁学》下册，赵凯华、陈熙谋著，第五、六章；《大学物理学》电磁学部分，杨仲耆等编，第六章。【仪器】　　磁滞回

2、线实验组合仪、双踪示波器。【原理】　　１）铁磁材料的磁化及磁导率　　铁磁物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁滞的特性。一般都是通过测量磁化场的磁场强度Ｈ和磁感应强度Ｂ之间的关系来研究其磁性规律的。图２０—１　起始磁化曲线和磁滞回线图２０—２　基本磁化曲线　　当铁磁物质中不存在磁化场时，Ｈ和Ｂ均为零，即图２０—１中Ｂ～Ｈ曲线的坐标原点０。随着磁化场Ｈ的增加，Ｂ也随之增加，但两者之间不是线性关系。当Ｈ增加到一定值时，Ｂ不再增加（或增加十分缓慢），这说明该物质的磁化已达到饱和状态。Ｈm和Ｂm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度（对应于图中ａ点）。如果

3、再使Ｈ逐渐退到零，则与此同时Ｂ也逐渐减少。然而Ｈ和Ｂ对应的曲线轨迹并不沿原曲线轨迹ａ０返回，而是沿另一曲线ａｂ下降到Ｂr，这说明当Ｈ下降为零时，铁磁物质中仍保留一定的磁性，这种现象称为磁滞，Ｂr称为剩磁。将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到Ｈ＝－Ｈc，磁感应强度消失，这说明要消除剩磁，必须施加反向磁场Ｈc。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。图２０—１表明，当磁场按Ｈm→０→－Ｈc→－Ｈm→０→Ｈc→Ｈm次序变化时，Ｂ所经历的相应变化为Ｂm→Ｂr→０→－Ｂm→－Ｂr→０→Ｂm。于是得到一条闭合的Ｂ～Ｈ曲线，称为磁滞回线。所以，当

4、铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），它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，对于初始态为Ｈ＝０，Ｂ＝０的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化的过程中，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图２０—２所示。这些磁滞回线顶点的连线称图２０—３　铁磁材料μ与Ｈ关系曲线　　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/Ｈ。因Ｂ与Ｈ非线性，故铁磁材料的μ不是常数，而是随Ｈ而变

5、化，如图２０—３所示。在实际应用中，常使用相对磁导率μr＝μ/μ0。μ0为真空中的磁导率，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。　　２）Ｂ～Ｈ曲线的测量方法　　实验线路如图２０—４所示。待测样品为Ｅ１型矽钢片，励磁线圈匝数Ｎ1＝５０；用来测量磁感应强度Ｂ而设置的探测线圈匝数Ｎ2＝１５０；Ｒ1为励磁电流取样电阻，Ｒ１为０.５Ω～５.０Ω。设通过励磁线圈的交流励磁电流为Ｉ１，根据安培环路定律，样品的磁化场强（２０—１）式中：Ｌ为样品的平均磁路，本实验Ｌ＝６０.０ｍｍ。设Ｒ１的端电压为Ｕ１，则可得因此，（２０—２）式

6、（２０—２）中的Ｎ１，Ｌ，Ｒ１均为已知常数，所以由Ｕ１可确定Ｈ。图２０—４　磁滞回线测量线路　　样品的磁感应强度Ｂ的测量是通过探测线圈和Ｒ2Ｃ2组成的电路来实现的。根据法拉第电磁感应定律，在交变磁场下由于样品中的磁通量φ的变化，在探测线圈中产生的感生电动势的大小（２０—３）由式（２０—３）可推导出（２０—４）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Ｅ＝Ｉ2Ｒ2＋Ｕ2式中：Ｉ2为感生电流；Ｕ2为积分电容Ｃ2两端电压。设在Δｔ时间内，Ｉ2向电容Ｃ2的充电电量为Ｑ，则Ｕ2＝Ｑ/Ｃ2因此Ｅ＝Ｉ2Ｒ2＋Ｑ/Ｃ2　　如果选取足够大的Ｒ2

7、和Ｃ2，使Ｉ2Ｒ2>>Ｑ/Ｃ2，则Ｅ＝Ｉ2Ｒ2所以（２０—５）由式（２０—４）和式（２０—５）可得（２０—６）式中：Ｃ2，Ｒ2，Ｎ2和Ｓ均为已知常量（本实验中Ｃ2＝２０μＦ，Ｒ2＝１０ｋΩ，Ｓ＝８０mm2），所以测量Ｕ2可确定Ｂ。【实验要求】　　（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０位。ＵH和ＵB（即Ｕ１和Ｕ2）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，即按顺时针方向转动“Ｕ选择”旋钮，使Ｕ从０Ｖ增加至３Ｖ，然后逆时针方向转动旋扭

8、使Ｕ从最大值降为０Ｖ，其目的是消除剩磁，即退磁过程，确保样品处于磁中性状态，即Ｈ＝Ｂ＝０，如图２０—５所示。图２０—５　退