用示波器觀察鐵磁材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線-試驗(yàn)報(bào)告

1、用示波器觀察鐵磁材料的動(dòng)態(tài) 磁滯回線-實(shí)驗(yàn)報(bào)告用示波器觀察鐵磁材料動(dòng)態(tài)磁滯回線【摘要】鐵磁材料按特性分硬磁和軟磁兩大類，鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線，反映該 材料的重要特性。軟磁材料的矯頑力 H小于100A/m,常用做電機(jī)、電力變壓器的鐵芯和電子儀器中各種頻率小型變壓器的鐵芯。磁滯回線是反映鐵磁材料磁性的重要特征曲線。矯 頑力和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 R、剩磁B P等參數(shù)均可以從磁滯回線上獲得.這些參數(shù)是鐵磁材料 研制、生產(chǎn)、應(yīng)用是的重要依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】磁滯回線 示波器 電容 電阻Bm Hm Br H【引言】鐵磁物質(zhì)的磁滯回線能夠反映該物質(zhì)的很多重要性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用示波器的X圖1起始磁化曲線和磁滯

2、回線輸入端和Y輸入端在屏幕上顯示的圖形以及相關(guān) 數(shù)據(jù)，來(lái)分析形象磁滯回線的一些因素，并根據(jù) 數(shù)據(jù)的處理得出動(dòng)態(tài)磁滯回線的大致圖線?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .認(rèn)識(shí)鐵磁物質(zhì)的磁化規(guī)律，比較兩種典 型的鐵磁物質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化特性。2. 測(cè)定樣品的H> B、Bs和（修B）等參數(shù)。3. 測(cè)繪樣品的磁滯回線，估算其磁滯損耗?！緦?shí)驗(yàn)儀器】電阻箱（兩個(gè)），電容（3-5微法），數(shù)字萬(wàn)用 表，示波器，交流電源，互感器?！緦?shí)驗(yàn)原理】鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，用途廣泛的材 料。鐵、鉆、鍥及其眾多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特征是在外磁場(chǎng)作用下能被強(qiáng)烈磁化，故磁導(dǎo)率以很高。另一特征是磁滯，即磁化場(chǎng)作用停止后，

3、鐵磁質(zhì)仍保留磁化狀態(tài)，圖 1為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng) 強(qiáng)度B與磁化場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。圖中的原點(diǎn)O表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)， 即B= H= O,當(dāng)磁場(chǎng)H從零開(kāi)始 增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段oa所示，繼之B隨H迅速增長(zhǎng)，如ab所示, 其后B的增長(zhǎng)又趨緩慢，并當(dāng)H增至HS時(shí)，B到達(dá)飽和值Bs, oabs稱為起始磁化曲線。圖 1表明，當(dāng)磁場(chǎng)從H逐漸減小至零，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到“ O'點(diǎn)，而 是沿另一條新的曲線SR下降，比較線段OS和SR可知，H減小B相應(yīng)也減小，但B的變化 滯后于H的變化，這現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征是當(dāng) H= O時(shí)，B不為零，而保

4、留剩磁 Br。當(dāng)磁場(chǎng)反向從O逐漸變至一代時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B消失，說(shuō)明要消除剩磁，必須施加反 向磁場(chǎng)，代稱為矯頑力，它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段RD稱為退磁曲圖1還表明，當(dāng)磁場(chǎng)按 H- A Hf-Hs2 廿一噸次序變化，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B則沿閉合曲線SRDS RDS變化，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng) 中時(shí)（如變壓器中的鐵心）,將沿磁滯回線反復(fù)被磁化一去磁一反向磁化一反向去磁。在此 過(guò)程中要消耗額外的能量，并以熱的形式從鐵磁材料中釋放，這種損耗稱為磁滯損耗，可 以證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。Ab圖2同一鐵圖1鐵磁圖3鐵磁材料應(yīng)該說(shuō)明，當(dāng)初始態(tài)為生

5、交變磁場(chǎng)強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次進(jìn)行磁化,H= B= O可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線，如圖稱為鐵磁材料的基本磁化曲線，由此可近似確定其磁導(dǎo)率2所示，這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線且，因B與H非線性，故H鐵磁材料的N不是常數(shù)而是隨 H而變化(如圖3所小)鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)，這一特點(diǎn)是它用途廣泛 的主要原因之一?？梢哉f(shuō)磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類和選用的主要 依據(jù)，圖4為常見(jiàn)的兩種典型的磁滯回線，其中軟磁材料的磁 滯回線狹長(zhǎng)、矯頑力、剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、 電機(jī)、和交流磁鐵的主要材料。而硬磁材料的磁滯回線較寬。 矯頑力大，剩磁強(qiáng)，可用來(lái)制造永磁體。觀察和測(cè)量磁滯

6、回線和基本磁化曲線的線路如圖五所示。 待測(cè)樣品為EI型矽鋼片，N為勵(lì)磁繞組，n為用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B而設(shè)置的繞組。Ri為勵(lì)磁電流取樣電阻，設(shè)通過(guò) N的交流勵(lì)磁電流為i ,根據(jù)安培環(huán) 路定律，樣品的磁化場(chǎng)強(qiáng)必 L 為樣品的平均磁路LUiRiLRi(D(1)式中的N、L、均為已知常數(shù)，所以由Uh可確定K在交變磁場(chǎng)下，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)值 B是測(cè)量繞組n和R 2c電路給定的，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通小的變化，在測(cè)量線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)的大小d2 n -dt12dt(2)S為樣品的截面積。如果忽略自感電動(dòng)勢(shì)和電路損耗，則回路方程為式中i2為感生電流,LB為積分電容C兩端電壓，設(shè)在A

7、 t時(shí)間內(nèi)，i 2向電容C2的充電電量為Q,則UbQ發(fā) i2R2C如果選取足夠大的使 i 2R>> Q/C,則£2dQ dtC2R2dUBC2 dtdUBdt由(2)、(3)兩式可得(4)B "b上式中C、R、n和S均為已知常數(shù)。所以由IB可確定B)綜上所述，將圖5中的5和UB分別加到示波器的“ X輸入”和“Y輸入”便可觀察樣品剩磁的B H曲線；如將UH和UB加到測(cè)試儀的信號(hào)輸入端可測(cè)定樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BsR、矯頑力HD、磁滯損耗WBH以及磁導(dǎo)率卜等參數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】一根據(jù)線圈阻值估計(jì)線圈匝數(shù)12示數(shù).34按照?qǐng)D示連接電路；移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，使電流表和電

8、壓表的示數(shù)超過(guò)分別測(cè)左線圈和右線圈的阻值；測(cè)量線圈直徑，計(jì)算線圈的橫截面積.不同電壓下磁滯回線數(shù)據(jù)的測(cè)量1.電路連接：按電路圖連接線路，并令2/3表盤(pán)，然后記錄電壓表電流表的R=2.5 Qo IH和UB分別接示波器的“X輸入”和“ Y輸入”。2.樣品退磁：開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀電源，對(duì)試樣進(jìn)行退磁,即順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)“U選擇”旋鈕,令U從0增至10V,然后逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，將 U從最大值降為0,其目的是消除剩磁, 確保樣品處于磁中性狀態(tài)，如圖 6所示。圖6退磁示意圖3 .觀察磁滯回線：開(kāi)啟示波器電源，調(diào)至X-Y方式，且X輸入端和Y輸入端都為“DC。 令光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，令U= 6.0V,并分別調(diào)節(jié)示波

9、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 7所示，這時(shí)可降低 勵(lì)磁電壓U予以消除)。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(kāi)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。這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線就是樣品的基本磁化曲線，借助長(zhǎng)余輝示波器，便可觀察到該曲線的軌跡。5 .測(cè)繪以一H曲線：仔細(xì)閱讀測(cè)試儀的使用說(shuō)明，接通實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀之間的連線。開(kāi)啟電源，對(duì)樣品進(jìn)行退磁后，依次測(cè)定U= 0.5 , 1.03.0V時(shí)的十組 修和日值，作以H曲線。7.令 U=11.0V, R = 2.5。測(cè)定樣品 1 的 B

10、bR'HdWBh,等參數(shù)。8.取步驟7中的H和其相應(yīng)的B值，用坐標(biāo)紙繪制B- H曲線(如何取數(shù)？取多少組 數(shù)據(jù)？自行考慮)，并估算曲線所圍面積?！緮?shù)據(jù)記錄及處理一根據(jù)線圈阻值估計(jì)線圈匝數(shù)。已知0.5mm直徑的漆包線每米長(zhǎng)度對(duì)應(yīng) 1.678歐姆J參數(shù)/_U (v)I (mAL=R/1.678(m)匝數(shù)左線崖0.37943.405.20180匝右線崖10.25846.253.3365匝二 不同電壓下磁滯回線數(shù)據(jù)的測(cè)量勵(lì)磁繞組Ni(砸)：180測(cè)量繞組。(砸)：65平均磁路L(mm): 50電容 C(nF)： 4.3.電阻 R(Q)：2.5 電阻 R(kQ)：6Q 截面 S(mrf) ： 2

11、00U (V)2hm (mV2bm(mV)hm(mV)bm(mV)U1(mV )I1(mA )4.0302.0298.0302.5104.5104.0102.0300.83103.5095.0138.005.0369.0371.5370.0132.5134.2134.0370.17133.57115.046.006.0441.0 1442.5442.01163.0 1168.0166.0441.83165.67 1137.0P 54.807.0524.0521.0522.0193.0192.0192.0522.33192.33162.064.808.0592.0595.0592.0212.52

12、14.0212.0593.0212.83183.673.449.0670.01672.0672.0237.0234.5232.5671.33234.33:208.1F 83.2410.0758.0752.0760.0253.5257.0257.0756.67255.83235.594.20：11.0826.01821.0820.0P 263.0264.5266.0822.33264.501256.5P 102.6利用上表，根據(jù)hm與bm等數(shù)據(jù)求出Hmi與Bmi,如下:Hmi=N1hmi/LR1 Bmi=R2C 2bmi/N 2s 其中:N1=180 , N2=65 , L=50mmU (V)h

13、m(mV)bm(mV)Hm (A/m)Bm (T)4.0300.83103.50433.200.205/5.0370.17133.57533.040.265,16.0441.83165.67636.240.328f37.0522.33192.33752.160.38118.0593.0212.83853.920.422/9.0671.33234.33966.720.465,110.0756.67255.831089.600.507；111.0822.33264.501184.160.524、J當(dāng)路端電壓為11.0V時(shí)，磁滯回線包圍的面積不再增大，達(dá)到飽和磁滯回線.如下圖，止匕時(shí):參數(shù)一一hm(

14、mV)bm(mV)hc(mV)br(mV)Hm(A/m)Bm(T)Hc(A/m)Bc(T)數(shù)據(jù)822.33 n264.50495.0214.011184.160.5249712.80.4247【誤差分析及改進(jìn)】實(shí)驗(yàn)中誤差的來(lái)源主要是一：線圈本身有內(nèi)阻，使得數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)r1的處理偏小, 使最終計(jì)算出的Hm偏大；二 對(duì)線圈匝數(shù)和線圈橫截面積的估算，由于實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)的缺 失，利用估算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理會(huì)有一定的偏差。改進(jìn)方法：可以利用低電阻測(cè)量阻值的方法，利用開(kāi)爾文電橋法通直流電源然后測(cè)量線 圈的確切阻值，從而利用線圈估算線圈匝數(shù)的時(shí)候也可以精確一些。【實(shí)驗(yàn)過(guò)程中現(xiàn)象的討論及應(yīng)注意的問(wèn)題】在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意到：0隨著電源頻率的增加，磁滯回線逐漸變化，最終當(dāng)電源頻率超過(guò)1kz時(shí)，磁滯回線會(huì)變成橢圓，這表明鐵磁介質(zhì)的磁化特性隨著磁化