物理实验教学资源（实验讲义）【FB310B】磁化曲线与磁滞回线的研究.doc

一、磁化曲线与磁滞回线的研究铁磁材料分为硬磁和软磁两类。硬磁材料（如铸钢）的磁滞回线宽，剩磁和矫顽磁力较大(100-20000安/米，甚至更高)，因而磁化后，它的磁感应强度能保持，适宜制作永久磁铁。软磁材料（如硅片）的磁滞回线窄，矫顽磁力小（一般小于120安/米），但它的磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，故常用于制造电机、变压器和电磁铁。可见铁磁材料的磁化曲线与磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构或仪表的依据之磁学量的测量一般比较困难，通常利用相应的物理规律，将磁学量转换为易于测量的电学量。这种转换测量法是物理实验中常用的基本方法。测绘磁化曲线与磁滞回线常用冲击电流计法和示波器法，是磁测量的基本方法。前者方法准确度较高，但较复杂，后者方法虽然准确度较低但具有直观、方便迅速以及能在脉冲磁化下测量的优点。本实验采用示波器法，通过实验，研究这些性质不代仅能掌握用示波器观察磁滞回线以及基本磁化曲线的测绘方法，从而能从理论和实际应用上加深材料磁特性的认识。本实验采用动态法测量磁滞回线。需要说明的是用动态法测量的磁滞回线与静态磁湍回线是不同的，动态测量时除了磁滞损耗还有涡流损耗，因此动态磁滞回线的面积要比嶄态磁滞回线的面积要大一些。另外涡流损耗还与交变磁场的频率有关，所以测量的电源频率不同，得到的B一H曲线是不同的，这可以在实验中清楚地从示波器上观察到。【实验目的】 1,掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的主要物理量：矫顽力、剩磁和磁导率的理解。 2.学会用示波器法测绘基本磁化曲线和磁滞回线 3.根据磁滞回线确定磁性材料的饱和磁感应强度B、剩磁Br和矫顽力Hc的数值。 4.研究不同频率下动态磁滞回线的区别，并确定某一频率下的磁感应强度B。、剩磁B 和矫顽力H。数值。 5.改变不同的磁性材料，比较磁滞回线形状的变化。 6.研究磁性材料在交流磁化场、交直流叠加磁化场时的磁性能。 7.引入可调控的直流偏置，进行动态磁滞回线、可逆磁导率实验。【实验仪器】双踪示波器、FB31OB型智能磁滞回线实验仪【实验原理】 1,起始磁化曲线、基本磁化曲线和磁滞回线铁磁材料（如铁、镍、钴和其它铁磁合金）具有独特的磁化性质。研究铁磁材料的磁

1 一、磁化曲线与磁滞回线的研究铁磁材料分为硬磁和软磁两类。硬磁材料（如铸钢）的磁滞回线宽，剩磁和矫顽磁力较大（100-20000 安/米，甚至更高），因而磁化后，它的磁感应强度能保持，适宜制作永久磁铁。软磁材料（如硅片）的磁滞回线窄，矫顽磁力小（一般小于 120 安/米），但它的磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，故常用于制造电机、变压器和电磁铁。可见，铁磁材料的磁化曲线与磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构或仪表的依据之一。磁学量的测量一般比较困难，通常利用相应的物理规律，将磁学量转换为易于测量的电学量。这种转换测量法是物理实验中常用的基本方法。测绘磁化曲线与磁滞回线常用冲击电流计法和示波器法，是磁测量的基本方法。前者方法准确度较高，但较复杂，后者方法虽然准确度较低但具有直观、方便迅速以及能在脉冲磁化下测量的优点。本实验采用示波器法，通过实验，研究这些性质不代仅能掌握用示波器观察磁滞回线以及基本磁化曲线的测绘方法，从而能从理论和实际应用上加深材料磁特性的认识。本实验采用动态法测量磁滞回线。需要说明的是用动态法测量的磁滞回线与静态磁滞回线是不同的，动态测量时除了磁滞损耗还有涡流损耗，因此动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积要大一些。另外涡流损耗还与交变磁场的频率有关，所以测量的电源频率不同，得到的 B − H 曲线是不同的，这可以在实验中清楚地从示波器上观察到。【实验目的】 1．掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的主要物理量：矫顽力、剩磁和磁导率的理解。 2．学会用示波器法测绘基本磁化曲线和磁滞回线。 3．根据磁滞回线确定磁性材料的饱和磁感应强度 BS 、剩磁 Br 和矫顽力 HC 的数值。 4．研究不同频率下动态磁滞回线的区别，并确定某一频率下的磁感应强度 BS 、剩磁 Br 和矫顽力 HC 数值。 5．改变不同的磁性材料，比较磁滞回线形状的变化。 6. 研究磁性材料在交流磁化场、交直流叠加磁化场时的磁性能。 7. 引入可调控的直流偏置，进行动态磁滞回线、可逆磁导率实验。【实验仪器】双踪示波器、FB310B 型智能磁滞回线实验仪。【实验原理】 1.起始磁化曲线、基本磁化曲线和磁滞回线铁磁材料（如铁、镍、钴和其它铁磁合金）具有独特的磁化性质。研究铁磁材料的磁

化规律，一般是通过测量磁化场的磁场强度H与磁感应强度B之间的关系来进行的。铁磁材料的磁化过程非常复杂，B与 H之间的关系如图1所示。当铁磁材料从未磁化状态(0且B=0)开始磁化时， B随着H的增加而非线性增加。当H增大到一定值Hm后，Bm增加十分缓慢或基 -B 本不再增加，这时磁化达到饱和状态，称 -B 为磁饱和。达到磁饱和时的Hm和Bm分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度（对应图中的a点)。图1中，B~H曲线的Oa段称为起始磁化曲线。当使H从a点减小时 B也图1 随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线b下降。当H逐步较小至0时，B不为0，而是B,说明铁磁材料中仍保留有定的磁性，这种现象称为磁滞效应：B,称为剩余磁感应强度，简称剩磁。要消除剩磁，使 B降为0，必须加一反向的磁场，直到反向磁场强度H-H,B才恢复为0，H称为矫顽力。继续反向增加H,曲线达到反向饱和(d点)，对应的饱和磁场强度为-Hm,饱和磁感应强度为-Bm。再正向增加H,曲线回到起点a。从铁磁材料磁化过程可知，当H按O Hm→0→-H。→-Hm→O一H。→Hm的顺序变化时，B相应沿O一Bm→B,→O→-Bm→-B,→O Bm的顺序变化。将上述变化过程的各点连接起来，就得到一条封闭B~H曲线abedefa, 这条闭合曲线称为磁滞回线。采用直流励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为静态（直流）磁滞回线，采用交变流励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为动态（交流）磁滞回线。从图1中还可知： (1)B的变化始终落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。 (2)图中的bc曲线段，称为退磁曲线。 (3)H上升到某一值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。对于同一铁磁材料，若开始时不带磁性，依次选取磁化电流为小、、…、Im(山<<· <Im),则相应的磁场强度为H、、…、Hm。在每一个选定的磁场值下，使其方向发生二次变化（即H→H→：：Hm→-Hm→Hm等），则可以得到面积由小到大向外扩张的一族逐渐增大的磁滞回线（如图2所示）。把原点0和各个磁滞回线的顶点a1、: m所连成的曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线。根据基本磁化曲线可以近似确定铁磁材料的磁导率4。从基本磁化曲线上一点到原点O连线的斜率定义为该磁化状态下的磁导率

2 化规律，一般是通过测量磁化场的磁场强度 H 与磁感应强度 B 之间的关系来进行的。铁磁材料的磁化过程非常复杂，B 与 H 之间的关系如图 1 所示。当铁磁材料从未磁化状态（H=0 且 B=0）开始磁化时， B 随着 H 的增加而非线性增加。当 H 增大到一定值 Hm后，Bm增加十分缓慢或基本不再增加，这时磁化达到饱和状态，称为磁饱和。达到磁饱和时的 Hm和 Bm分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度（对应图中的 a 点）。图 1 中，B～H 曲线的 Oa 段称为起始磁化曲线。当使 H 从 a 点减小时， B 也图 1 随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线 ab 下降。当 H 逐步较小至 0 时，B 不为 0，而是 Br，说明铁磁材料中仍保留有一定的磁性，这种现象称为磁滞效应；Br 称为剩余磁感应强度，简称剩磁。要消除剩磁，使 B 降为 0，必须加一反向的磁场，直到反向磁场强度 H=-Hc，B 才恢复为 0，Hc称为矫顽力。继续反向增加 H，曲线达到反向饱和（d 点），对应的饱和磁场强度为-Hm，饱和磁感应强度为-Bm。再正向增加 H，曲线回到起点 a。从铁磁材料磁化过程可知，当 H 按 O→ Hm→O→-Hc→-Hm→O→Hc→Hm 的顺序变化时，B 相应沿 O→Bm→Br→O→-Bm→-Br→O→ Bm 的顺序变化。将上述变化过程的各点连接起来，就得到一条封闭 B～H 曲线 abcdefa，这条闭合曲线称为磁滞回线。采用直流励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为静态（直流）磁滞回线，采用交变流励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为动态（交流）磁滞回线。从图 1 中还可知：（1）B 的变化始终落后于 H 的变化，这种现象称为磁滞现象。（2）图中的 bc 曲线段，称为退磁曲线。（3）H 上升到某一值和下降到同一数值时，铁磁材料内的 B 值不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。对于同一铁磁材料，若开始时不带磁性，依次选取磁化电流为 I1、I2、…、Im（I1＜I2＜… ＜Im），则相应的磁场强度为 H1、H2、…、Hm。在每一个选定的磁场值下，使其方向发生二次变化（即 H1→-H1→H1；…；Hm→-Hm→Hm 等），则可以得到面积由小到大向外扩张的一族逐渐增大的磁滞回线（如图 2 所示）。把原点 O 和各个磁滞回线的顶点 a1、a2、…、 am 所连成的曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线。根据基本磁化曲线可以近似确定铁磁材料的磁导率 μ。从基本磁化曲线上一点到原点 O 连线的斜率定义为该磁化状态下的磁导率

上=骨。可以看出，铁磁材料的磁号率不是常数。而是随H变化而变化的物理量，即 4=f(H),为非线性函数。当H由 0增加时，4也逐步增加，然后达到一最大值。当H 图2 图3 再增加时，由于磁感应强度达到饱和，“开始急剧减小。μ随H变化曲线如图3所示。磁导率“非常高是铁磁材料的主要特性，也是铁磁材料用途广泛的主要原因之一。由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须将铁磁材料退磁，以保证外加磁场0时，B=0:其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减少，不可时增时减。在理论上，要消除剩磁B,只需通一反方向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行。实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因此无法确定退磁电流的大小我们从磁滞回线得到启示：如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零，那末该材料磁化过程就是一连串逐渐缩小最终趋于原点的环状曲线。当H减小到零时，B也降为零，达到完全退磁。实验表明，经过多次反复磁化后，B一H的量值关系形成一个稳定的闭合的“磁滞回线”。通常以这条曲线来表示该材料的磁化性质。这种反复磁化的过程称为“磁锻炼”。本实验使用交变电流，所以每个状态都是经过充分的“磁锻炼”，随时可以获得磁滞回线。在测量基本磁化曲线时，每个磁化状态都要经过充分的“磁锻炼”。否则，得到的B-H曲线即为起始磁化曲线，两者不可混淆。 2、磁滞损耗当铁磁材料沿着磁滞回线经历磁化→去磁→反向磁化→反向磁化的循环过程中，由于磁滞效应，要消耗额外的能量，并且以热量的形式消耗掉。这部分因磁滞效应而消耗的能量，叫磁滞损耗图 3

3 H B  = 。可以看出，铁磁材料的磁导率不是常数，而是随 H 变化而变化的物理量，即  = f (H) ，为非线性函数。当 H 由 0 增加时，μ 也逐步增加，然后达到一最大值。当 H 图 2 图 3 再增加时，由于磁感应强度达到饱和，μ 开始急剧减小。μ 随 H 变化曲线如图 3 所示。磁导率 μ 非常高是铁磁材料的主要特性，也是铁磁材料用途广泛的主要原因之一。由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须将铁磁材料退磁，以保证外加磁场 H=0 时，B=0；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减少，不可时增时减。在理论上，要消除剩磁 Br，只需通一反方向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行。实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因此无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示：如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零，那末该材料磁化过程就是一连串逐渐缩小最终趋于原点的环状曲线。当 H 减小到零时，B 也降为零，达到完全退磁。实验表明，经过多次反复磁化后， B − H 的量值关系形成一个稳定的闭合的“磁滞回线”。通常以这条曲线来表示该材料的磁化性质。这种反复磁化的过程称为“磁锻炼”。本实验使用交变电流，所以每个状态都是经过充分的“磁锻炼”，随时可以获得磁滞回线。在测量基本磁化曲线时，每个磁化状态都要经过充分的“磁锻炼”。否则，得到的 B-H 曲线即为起始磁化曲线，两者不可混淆。 2、磁滞损耗当铁磁材料沿着磁滞回线经历磁化→去磁→反向磁化→反向磁化的循环过程中，由于磁滞效应，要消耗额外的能量，并且以热量的形式消耗掉。这部分因磁滞效应而消耗的能量，叫磁滞损耗图 4