实验二 铁磁材料的磁滞回线和

基本磁化曲线

【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H －曲线。

3．测定样品的Hc、Br、Bm和（Hm·Bm）等参数。

4．测绘样品的磁滞回线。

【实验原理】

1．起始磁化曲线和磁滞回线

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2-1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2-1  铁磁质起始磁化曲线和磁滞回线        图2-2  同一铁磁材料的一簇磁滞回线

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=0，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Hm时，B到达饱和值Bm，Oabs称为起始磁化曲线。图2-1表明，当磁场从Hm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减少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=0时，B不为零，而保留剩磁Br。

当磁场反向从0逐渐变至－Hc时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，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，线段RD称为退磁曲线。

图2-1还表示，当磁场按Hm→0→－Hc→-Hm→0→Hc→Hm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。

2．基本磁化曲线

应该说明，当初始态为H=B=0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2-2所示，这些磁滞回线顶点A1、A2、A3、…的连线为铁磁材料的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率，因B与H非线性，故铁磁材料的不是常数而是随H而变化（如图2-3所示）。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。

图2-3  铁磁材料μ与H关系曲线          图2-4  不同铁磁材料的磁滞回线

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2-4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。

3．利用示波器观测磁滞回线的原理

图2-5  原理电路图

利用示波器观测磁滞回线的原理电路如图2-5所示。

待测样品为EI型矽钢片，其上均匀地绕以磁化线圈N及副线圈n。交流电压u加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻R1。将R1两端的电压UH加到示波器的X输入端上（对DC4322B示波器为通道Ⅰ）。副线圈n与电阻R2和电容C串联成一回路。电容C两端的电压UB加到示波器的Y输入端上（对DC4322B示波器为通道Ⅱ）。下面我们来说明为什么这样的电路能够显示和测量磁滞回线。

⑴ UH（X输入）与磁场强度H成正比

设矩形样品的平均周长为l，磁化线圈的匝数为N，磁化电流为i1（注意这是交流电流的瞬时值），根据安培环路定律有Hl=Ni1，即i1=Hl/N。而UH=R1i1，所以可得

                                                   （2-1）

式中R1、l和N皆为常数，可见UH与H成正比。它表明示波器荧光屏上电子束水平偏转的大小与样品中的磁场强度成正比。

⑵ UB（Y输入）在一定条件下与磁感强度B成正比

设样品的截面积为S，根据电磁感应定律，在匝数为n的副线圈中感应电动势应为

                           （2-2）

若副边回路中的电流为i2，且电容C上的电量为q，则应有

                           （2-3）

在上式中已考虑到副线圈匝数n较少，因而自感电动势可忽略不计。在选定线路参数时，有意将R2与C都选成足够大，使电容C上的电压降UB=q/C比起电阻上的电压降R2i2小到可以忽略不计。于是式（2-3）可以近似地改写成

                             （2-4）

将关系式代入式（2-4）得

                                                （2-5）

将上式与式（2-2）比较，不考虑其负号（在交流电中负号相当于相位差为±π）时应有

    将等式两边对时间积分时，由于B和UB都是交变的，积分常数为0。整理后得

                           （2-6）

至此，可以看出，在磁化电流变化的一周期内，示波器的光点描绘出一条完整的磁滞回线。以后每个周期都重复此过程，结果在示波器的荧光屏上看到一稳定的磁滞回线图形。

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Bm、剩磁Br、矫顽力HC、磁滞损耗（BH）以及磁导率等参数。

图2-6  实际测量中的示意线路图

实际测量中的示意线路如图2-6所示。为了使R1上的电压降UH与流过的电流i1二者的瞬时值成正比（相位相同），R1必须是无感或电感极小的电阻。其次为了操作安全和调节方便，在线路中采用了一个隔离降压变压器B，以避免后面的电路元件与220 V市电直接相连。调压变压器用来调节输入电压u以控制磁化电流i1的大小。

【实验仪器】

TH－MHC型磁滞回线实验仪与磁滞回线测试仪、示波器。

【实验内容及步骤】

1．电路连接：选样品1按图2-9在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．样器退磁：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0，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2-7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=1.5V，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2-8所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。

图2-7  退磁示意图                  图2-8  UH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。

5．观察、比较样品1和样品2的磁化性能；判定两样品的软、硬磁性。（U=1.5 V或U=2.0 V，R1=2.5 Ω）

6．测绘H －曲线：仔细阅读测试仪的使用说明（见参考资料），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H －曲线。

7．令U=1.5V，R1=2.5Ω测定样品1的Bm、Br、Hc和[BH]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。

【数据处理】

表2-1  基本磁化曲线与H －曲线

1．铁磁物质的特点是什么？

2．什么是硬磁材料与软磁材料？

3．如何确定磁导率？如何判断铁磁材料的磁滞损耗的大小？

4．实验中如何对材料进行退磁使材料处于磁中性状态？