用示波器觀察鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線

1、實(shí)驗(yàn) 23 用示波器觀察鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線 磁性材料應(yīng)用十分廣 泛，從永久磁鐵、變壓器鐵芯到錄音、錄像、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)用的磁帶、磁盤等材料都采用磁性材料?；敬呕€和磁滯回線反映了磁性材料的主要特征。通過實(shí)驗(yàn)研 究這些性質(zhì)不僅可以掌握用示波器觀察、測(cè)量磁化曲線和磁滯回線的基本方法，而且還可以從理論和實(shí)際應(yīng)用上加深對(duì)磁性材料磁特性的認(rèn)識(shí)。鐵、鈷、鎳及其眾多合金，以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁材料。鐵磁 材料分為硬磁和軟磁兩大類，其根本區(qū)別在于剩磁 B r 和矯頑力 H c 的大小不同。 硬磁材料的磁滯回線寬，剩磁、矯頑力大（達(dá) 12020000A/m 以上），因而磁化 后，其磁感應(yīng)強(qiáng)

2、度可長(zhǎng)久保留，適宜做永久磁鐵。軟磁材料的磁滯回線窄，矯頑力 H c 一般小于 120A/m ，但磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，容易磁化和去磁，因而廣 泛用于電機(jī)、電器和儀表制造等工業(yè)部門。鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線是鐵磁本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)法材料的重要特性，也是設(shè)計(jì)電磁機(jī)構(gòu)和儀表的重要依據(jù)之一。測(cè)量磁滯回線。需要說明的是，用動(dòng)態(tài)法測(cè)量的磁滯回線與靜態(tài)磁滯回線是不同 的，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)除了磁滯損耗還有渦流損耗，因此動(dòng)態(tài)磁滯回線的面積要比靜態(tài)磁 滯回線的面積大一些。另外渦流損耗還與交變磁場(chǎng)的頻率有關(guān)，所以測(cè)量的電源頻 率不同，得到的 B H 曲線是不同的，這可以在實(shí)驗(yàn)中清楚地從示波器上觀察 到。實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、

3、 掌握磁滯、磁滯回線和磁化曲線的概念，加深對(duì)鐵磁材料的主要物理量 矯頑力，剩磁和磁導(dǎo)率的理解；2、學(xué)會(huì)用示波法測(cè)繪基本磁化曲線和磁滯回線。實(shí)驗(yàn)原理】1、磁化曲線。如果在由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中放入鐵磁物質(zhì)，則磁場(chǎng)將明顯增強(qiáng)，此時(shí)鐵磁物質(zhì) 中的磁感應(yīng)強(qiáng)度比單純由電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大百倍，甚至千倍以上。鐵磁物 質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下的關(guān)系：圖23 1磁化曲線和u-H曲線圖23 2起始磁化曲線與磁滯回線對(duì)于鐵磁物質(zhì)而言，磁導(dǎo)率 卩并非常數(shù)，而是隨H的變化而變化的物理量, 即 尸f （H，為非線性函數(shù)。所以B與H也是非線性關(guān)系，如圖23 1所示。鐵磁材料的磁化過程為：從未被磁化的狀態(tài)（又

4、稱去磁狀態(tài)”開始，在鐵磁材料上外加一個(gè)由小到大的磁化場(chǎng)，則鐵磁材料內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B也隨之變大，其B H變化曲線如圖23 1所示。但當(dāng)H增大到一定值（H s ） 后，B幾乎不再隨H的增加而增加，說明磁化已達(dá)飽和。從未磁化到飽和磁化的 這段磁化曲線稱為材料的 起始磁化曲線”如圖23 1中的Os段曲線所示。2、磁滯回線。當(dāng)鐵磁材料的磁化達(dá)到飽和之后，如果將外磁化場(chǎng)減小，則鐵磁材料內(nèi)部的B和H也隨之減小，但其減小的過程并不是沿著 Os段退回。顯然，當(dāng)磁化場(chǎng)撤銷， H =0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B仍然保持一定的數(shù)值B =B r ,稱為 剩磁”（剩余磁感應(yīng)強(qiáng) 度）。若要使被磁化的鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度

5、 B減小到0，必須加上一個(gè)反方向磁場(chǎng)并逐步增大。當(dāng)鐵磁材料內(nèi)部反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到 H =H e時(shí)(圖23 2上的e點(diǎn))，磁感應(yīng)強(qiáng)度B才為0,達(dá)到退磁。圖232中的be段為退磁曲線，H c為矯頑力。如圖23 2所示，當(dāng)H按照0 H s 0- H e 亠H s 0 H e H 的 順序變化時(shí)，B沿相應(yīng)的磁化曲線 0 B s B r 0- B s B r 0 B s的順序變化，所形成的封閉曲線sbedefs稱為 磁滯回線”由圖23 2可知:(1)當(dāng)H =0時(shí)，B MQ這說明鐵磁材料還殘留一定值的磁感應(yīng)強(qiáng)度常稱B r為鐵磁物質(zhì)的 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度”(剩磁)。(2)若要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，即 B =0,必

6、須加一個(gè)反方向磁場(chǎng) 反向磁場(chǎng)強(qiáng)度He稱為該鐵磁材料的 矯頑力”(3) B的變化始終落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為 磁滯現(xiàn)象”(4) H上升或下降到同一數(shù)值時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部的 B值并不相同,B r，通H C，這個(gè)即磁化過程與鐵磁材料過去的磁化經(jīng)歷有關(guān)。所示。其中最大面積的磁滯回線稱為 極限磁滯回線”(5) 當(dāng)從初始狀態(tài)H =0，B =0開始周期性地改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值時(shí)，在磁場(chǎng) 由弱到強(qiáng)單調(diào)增加的過程中，可以得到面積由小到大的一簇磁滯回線，如圖23 3(6) 由于鐵磁材料磁化過程的不可逆性以及具有剩磁的特點(diǎn)，在測(cè)定磁化曲 線和磁滯回線時(shí)，必須首先將鐵磁材料進(jìn)行退磁，以保證外加磁場(chǎng)時(shí)H =0 ，B=0

7、；其次，磁化電流在實(shí)驗(yàn)圖 23 3 磁滯回線與基本磁化曲線圖 23 4 退磁過程過程中只允許單調(diào)增加或減小，不能時(shí)增時(shí)減。在理論上，要消除剩磁 B r , 只需通一反向磁化電流，使外加磁場(chǎng)正好等于鐵磁材料的矯頑力即可。實(shí)際上，矯 頑力的大小通常并不知道，因此無法確定退磁電流的大小。我們從磁滯回線得到啟 示，如果使鐵磁材料磁化達(dá)到飽和，然后逐漸減小磁化電流，同時(shí)不斷改變磁化電 流的方向，最終使磁化電流為 0，則該材料的磁化過程就是一連串逐漸減小并最終 趨于原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖234。當(dāng)H減小到0時(shí)，B也同時(shí)為0,達(dá)到完全退 磁。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過多次反復(fù)磁化后， B H 的量值關(guān)系形成一個(gè)穩(wěn)定、閉合

8、的 “磁滯回線 ”，通常用這條曲線來表示該材料的磁化性質(zhì)。這種反復(fù)磁化的過程稱為 “磁鍛煉 ”。本實(shí)驗(yàn)使用交變電流，所以每個(gè)狀態(tài)都是經(jīng)過充分的“磁鍛煉 ”，隨時(shí)可以獲得磁滯回線。我們把圖 233中原點(diǎn) O 和各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn) s 1，s 2，s 3所連成的曲 線，稱為 “鐵磁材料的基本磁化曲線 ”。不同的鐵磁材料其基本磁化曲線是不相同 的。為了使樣品的磁特性可以重復(fù)出現(xiàn)，也就是指所測(cè)得的基本磁化曲線都是由原 始狀態(tài)( H =0,B =0)開始，在測(cè)量前必須進(jìn)行退磁，以消除樣品中的剩余磁性。在測(cè)量基本磁化曲線時(shí)，每個(gè)磁化狀態(tài)都要經(jīng)過充分的 “磁鍛煉 ”，否則得到的 B H 曲線即為前面介紹的起

9、始磁化曲線，兩者不可混淆。3、示波器顯示 B H 曲線的原理和線路。示波器測(cè)量 B H 曲線的實(shí)驗(yàn)原理和線路如圖 235所示。本實(shí)驗(yàn)研究的鐵磁物質(zhì)試樣如圖 23 5所示。在式樣上繞有勵(lì)磁線圈 N匝和測(cè)量線圈n匝。若在線圈據(jù)安培環(huán)路定律HL =NI 1N中通過磁化電流I 1時(shí)，此電流在試樣內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)。根，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小為：NI H 1= (1)其中,L為環(huán)狀試樣的平均磁路長(zhǎng)度（在 23 5中用虛線表示）。由圖25 5可知示波器x軸偏轉(zhuǎn)板輸入電壓為:11R I U x = (2)由（1）式和（2）式可得:圖23 5示波器測(cè)量B H曲線的原理圖U x （LR U x 1= （3）上式表明在交變磁場(chǎng)

10、下，任一時(shí)刻電子束在 x軸的偏轉(zhuǎn)正比 于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。為了測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B，在次級(jí)線圈n上串聯(lián)一個(gè)電阻R 2和電容C, R 2、C構(gòu)成一個(gè)積分回路。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變的電流I 1在試樣中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)），或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度B , £與 B的關(guān)系為：dtdB nS dt d n =&4）式中S為磁性材料試樣的截面積。根據(jù)電磁學(xué)理論,次級(jí)回路中的電流為22221? +=C R I(5)式中，3為電源的角頻率，&為次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若適當(dāng)改變 R 2和C,使 C R 3 12：，則 22R I £由圖25 5可知示波器y軸偏轉(zhuǎn)板輸入電壓為將電容C兩端電壓，

11、即22211B CR nS dB CR nS dt CR dt I C C Q U U C y 2? £ (6)上式表明在交變磁場(chǎng)下，任一時(shí)刻電子束在y軸的偏轉(zhuǎn)正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B。R 2 C電路在電子技術(shù)中稱為積分電路，表示輸出的電壓U C是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)£對(duì)時(shí)間的積分。為了如實(shí)地繪出磁滯回線，要求:(1)積分電路的時(shí)間常數(shù)C R 2( 2)在滿足上述條件下，U C的振幅很小，如將它直接加在y軸偏轉(zhuǎn)板上，貝U不能繪出大小適合需要的磁滯回線。為此，需將 UC經(jīng)過示波器y軸放大器增幅后輸至y軸偏轉(zhuǎn)板上。這就要求在實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)的頻率范圍內(nèi)，放大器的放大系 數(shù)必須穩(wěn)定，不會(huì)帶來較大的 相位

12、畸變。事實(shí)上，示波器難以完全達(dá)到這個(gè)要求，因此，在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如 圖 236所示的畸變。適當(dāng)調(diào)節(jié) R 1的阻值，可得到最佳磁滯回線圖形，以避免這種畸變。這樣，在磁化電流變化的一個(gè)周期內(nèi)，電子束的徑跡描出一條完整的磁滯回 線。適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器 x 和 y 軸增益，再由小到大調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓，即能 在屏上觀察到由小到大擴(kuò)展的磁滯回線圖形。逐次記錄其正頂點(diǎn)的坐標(biāo)，并在坐標(biāo) 紙上把它連成光滑的曲線，就圖 23 6 畸變的磁滯回線得到樣品的基本磁化曲線。4、示波器的定標(biāo)。為了定量研究磁化曲線和磁滯回線，必須對(duì)示波器進(jìn)行定標(biāo)。對(duì)具有校正信號(hào)的示波器，可根據(jù)示波器的使用方法，對(duì)x和y軸分別進(jìn)行定標(biāo)

13、，校正 x 和 y 軸上每格表示的電壓值后即可以進(jìn)行測(cè)量。設(shè)x軸的靈敏度為S x （V/格），y軸的靈敏度為S y （V/格）（上述S x和Sy 均可從示波器的面板上直接讀出來），則：y S U x S U y y x x ?=?=;式中， x 、y 分別為測(cè)量時(shí)記錄的坐標(biāo)值（單位：格）。綜和上述分析，本實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算公式為：x LR NS H x 1= （ 7） y nSCS R B y2= (8)式中各物理量的單位為：R 1、R 2為Q;L為m; S為m 2;C為 F; S x、S y為V/格；X、y為格；貝U H的單位為A/m， B的單位為T。本實(shí)驗(yàn)樣品一與樣品二為尺寸相同而磁性不同的兩種

14、材料，兩者的勵(lì)磁繞阻匝S =80mm2。數(shù)N、測(cè)量繞阻匝數(shù) n均相同。其中，N =50, n =150, L =60mm ,【實(shí)驗(yàn)儀器】示波器，動(dòng)態(tài)磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀如圖 23 7所示。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、按儀器上的線路圖連接電路：先IH-MHC型磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀JIIJ-ir選擇樣品一，并令R 1= 2.5 Q“U選擇”置于0位。U H和U B分別連接示波器的“x俞入”和“y俞入”插孔為公共端。2、樣品退磁：開啟實(shí)驗(yàn)儀器電源，對(duì)試樣進(jìn)行退磁，即順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)“I選擇”旋鈕，令U從0V增至3V，然后逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，將 U 從最大值降為 0V ，其目的是消除剩磁，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即 B =H

15、=0。 圖 237 磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀3、觀察磁滯回線：開啟示波器電源，令光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中心，令U=2.2V，并分別調(diào)節(jié)示波器x和y軸的靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)圖形大小合適的磁 滯回線（若圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖 236所示，這時(shí)可以降低勵(lì)磁電壓 予以消除）。同時(shí)對(duì)示波器進(jìn)行定標(biāo)。4、觀察基本磁化曲線，按步驟 2 對(duì)樣品進(jìn)行退磁，從 U =0 開始，逐檔提高勵(lì) 磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大一個(gè)套一個(gè)的一簇磁滯回線，把每個(gè)磁滯回線的頂 點(diǎn)坐標(biāo)記錄到表格1中，按（7）和（8）式換算成H和B值，描繪在坐標(biāo)紙上，將各點(diǎn)連成 光滑的曲線， 即為基本磁化曲線。 5、觀察、比較樣品一和樣品二的磁化性能。 6測(cè)繪 H曲線：開啟電源，對(duì)樣品進(jìn)行退磁后，逐檔提高勵(lì)磁電壓，依次測(cè) 定對(duì)應(yīng)不同 電壓的十組Hs和Bs值，分別計(jì)算出 卩作 H曲線。7、令U=3.0V，R1 = 2.5 Q 測(cè)定樣品一的 Bs, Br，He 等參數(shù)。8、令 U=3.0V，R1 =2.5 Q將所取的H值和其相應(yīng)的B值記入表格2中，在毫米方格紙上 描出飽和磁 滯回線，并算出 Hc、Hs、Bs 和 Br 值。 注意事項(xiàng)】 【注意事項(xiàng)】 調(diào)好磁滯回線 大小位置后，必須進(jìn)行退磁，測(cè)量過程中，不能再調(diào)節(jié)示波器x， y 軸的增益。 表1 U（V x（