实验十二 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验十二 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 一、实验目的 1．认识铁磁质的磁化规律，比较两种典型的铁磁质的动态磁特性。 2．测定样品的基本磁化曲线，作μr－H曲线。 3．测定样品的HD、Br、Bm和[H·B]max等参数。 4．测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。 二、实验原理 1．铁磁物质及其磁滞曲线 根据介质在磁场中的表现，一般将磁介质分为顺磁质、抗磁质和铁磁质。 设想在真空中（没有磁介质时）有一磁场的磁感应强度是 0，其大小是B0，将磁介质放入这个磁场中，若磁介质中的磁感应强度比B0小一点，那末这个介质是抗磁质；若磁介质中的磁感应强度比B0大一点，那末这个介质是抗磁质；若磁介质中的磁感应强度比B0大得多，甚至数百数万倍的增长，那末这个介质是铁磁质。实验表现是铁磁质移近磁极时被吸住，顺磁质稍微有被磁极吸引，而抗磁质反而被磁极稍微推开。 下表是一些材料的相对磁导率，根据相对磁导率很容易区分顺磁质、抗磁质和铁磁质。 组 别 材 料 相对磁导率μr 抗磁性物质 铋 银 铅 铜 水 0.99983 0.99998 0.999983 0.999991 0.999991 非磁性物质 真空 1 顺磁性物质 空气 铝 钯 1.0000004 1.00002 1.0008 铁磁性物质 2－81坡莫合金（2Mo,81Ni） 钴 镍 锰锌铁淦氧3 软钢（0.2C） 铁（0.2杂质） 硅钢（0.4Si） 78坡莫合金（78.5Ni） 纯铁（0.05杂质） 导磁合金（5Mo,79Ni） 130 250 600 1,500 2,000 5,000 7,000 100,000 200,000 1,000,000 铁磁质材料包含铁、钴、镍、某些稀有金属及其众多合金以及它们的许多氧化物的混合物（铁氧体）等。铁磁质是一种性能特异、用途广泛的材料，我们一般情况提到磁介质均指铁磁质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，磁导率μ很高；另一特征是磁滞，即磁化场消失后，介质仍保留磁性，即有剩磁。图1为铁磁质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。 图1 铁磁质的B－H关系曲线 图2 铁磁质的μ－H关系曲线 图1中的原点O表示磁化之前铁磁质处于磁中性状态，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HS时，B到达饱和值BS，OabS称为起始磁化曲线。（注意：这里说的饱和值BS，并不是说B的最大值。其实在达到BS后磁感应强度B仍然在随磁化场强度H变化，这时的B－H关系几乎是线性的。定义M＝B/μ0－H为磁化强度，则在B到达饱和值BS后，磁化强度M是几乎不变的，达到饱和磁化强度MS。饱和磁化强度MS以及如图2所示的起始磁导率μI、最大磁导率μM是研究软磁材料的三个重要参量。） 当磁场从HS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SQ下降，比较线段OS和SQ可知，H减小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O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QC称为退磁曲线。当磁场按HS→O→HC→－HS→O→HC→HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SQCS'Q'C'S变化，这闭合曲线称为磁滞回线。 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，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。 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3所示，这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线。由此可近似确定其磁导率＝B/H，因B与H非线性，故铁磁材料的μ不是常数而是随H而变化（如图2所示）。铁磁材料的相对磁导率μr＝μ/μ0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。 磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的重要依据，图4为常见的典型磁滞回线。其中磁滞回线狭长，矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小的软磁材料，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。（参照图5）对于硬磁材料来说，[H·B]max 值是一个重要参量，这个值越大越适应于制作永磁体。对于要求磁感应强度相同的情况，用[H·B]max 值大的磁介质可以节省很多材料，它也是永磁体质量好坏的重要标志。 图3 图4 典型铁磁性物质的磁滞回线 图5 铁磁性物质属强磁性材料，它在电工设备和科学研究中的应用非常广泛，按它们的化学成分和性能的不同，可以分为金属磁性材料和非金属磁性材料（铁氧体）两大族。 金属磁性材料还可分为硬磁、软磁和压磁材料等。实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状有很大差异。图4给出三种不同铁磁材料的磁滞回线，其中软磁材料的面积最小；硬磁材料的矫顽力较大，剩磁也较大；而铁氧体材料的磁滞回线则近似于矩形，故亦称矩磁材料。 软磁材料的特点是相对磁导率μr和饱和磁感强度Bmax一般都比较大，但矫顽力Hc比硬磁质小得多，磁滞回线所包围的面积很小，磁滞特性不显著。软磁材料在磁场中很容易被磁化，而由于它的矫顽力很小，所以也容易去磁。因此，软磁材料是很适宜于制造电磁铁、变压器、交流电动机、交流发电机等电器中的铁心。 硬磁材料又称永磁材料，它的特点是剩磁Br和矫顽力Hc都比较大，磁滞回线所包围的面积也就大，磁滞特性非常显著。所以把硬磁材料放在外磁场中充磁后，仍能保留较强的磁性，并且这种剩余磁性不易被消除，因此硬磁材料适宜于制造永磁体。在各种电表及其他一些电器设备中，常用永磁铁来获得稳定的磁场。 压磁材料具有强的磁致伸缩性能。所谓磁致伸缩是指铁磁性物体的形状和体积在磁场变化时也会发生变化，特别是改变物体在磁场方向上的长度。当交变磁场作用在铁磁性物体上时，它随着磁场的强弱变化伸长或缩短，如钴钢是伸长，而镍则缩短。不过长度的变化是十分微小的，约为其原长的l/100000。磁致伸缩在技术上有重要的应用，如作为机电换能器用于钻孔、清洗，也可作为声电换能器用于探测海洋深度、鱼群等。 非金属磁性材料铁氧体，是一族化合物的总称，它由三氧化二铁（Fe2O3）和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO，MnO等）的粉末混合烧结而成。 铁氧体的特点是不仅具有高磁导率，而且有很高的电阻率。它的电阻率约在104～1011 之间，有的则高达1014 ，比金属磁性材料的电阻率（约为10－7 ）要大得多，所以铁氧体的涡流损失小，常用于高频技术中。在电子计算机中就是利用矩磁铁氧体的矩形回线特点作为记忆元件的。利用正向和反向两个稳定状态可代表“0”与“1”，故可作为二进制记忆元件。此外，电子技术中也广泛利用铁氧体作为天线和电感中的磁心。 实际上铁磁质磁化的规律远比上面描述的要复杂得多。上述磁滞回线只是外场的幅值足够大时形成的最大磁滞回线。如果外场在上述循环过程的中途，H变化方向略有波动，例如在图6中当介质的磁化状态到达P点时，负方向的外场由增加改为减小，这时介质的磁化状态并不沿原路折回，而是沿着一条新的曲线PQ移动。当介质的磁化状态到达Q点后，若外场的变化方向又改变，介质的磁化状态也不沿原来途径返回P点，而是在PQ之间形成一个小的磁滞回线。如果外场的数值在这小范围内往复变化（即在一定的直流偏场上迭加一个小的交流讯号），介质的磁化状态便沿着这小磁滞回线循环。类似这样的小磁滞回线，到处都可以产生。 当我们研究一个磁性材料的起始磁化特性时，需要首先使之去磁，亦即令其磁化状态回到B－H图中的原点O。为此我们必须使外场在正负值之间反复变化，同时使它的幅值逐渐减小，最后到O。这样才能使介质的磁化状态沿着一次比一次小的磁滞回线，最后回复到未磁化状态O点（如图7所示）。实际的作法是：将样品放在交流磁场中，然后抽出即可。 从实验中还知道，铁磁质的磁化和温度有关。随着温度的升高，它的磁化能力逐渐减小，当温度升高到某一温度时，铁磁性就完全消失，铁磁质退化成顺磁质，这个温度叫做居里温度或叫居里点。这是因为铁磁质中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而遭破坏，磁畴也就瓦解了，铁磁质的铁磁性消失，过渡到顺磁质，从实验知道，铁的居里温度是1043K，78%坡莫合金的居里温度是580K，30％坡莫合金的居里温度是343K。 2．磁滞回线测量实验原理 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路原理图如图8所示。 图8 磁滞回线测量仪器实验原理图 待测样品为H1型矽钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁感应强度B而设置的绕组。R1为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为I，根据安培环路定律，样品的磁化场强 L为样品的平均磁路 ∵ I＝U1 / R1 ∴ （1） （1）式中的N、L、R1均为已知常数，所以由U1可确定H。 在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和R2C2电路给定的。根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通φ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为 （2） S为样品的截面积 如果忽略自感电动势和电路损耗，则回比方程为 式中I2为感生电流，U2为积分电容C2两端电压 设在 时间内，I2向电容C2的充电电量为Q，则 U2＝Q/C2 ∴ 如果选取足够大的R2和C2，使 ，则 ∵ ∴ （3） 由（2）、（3）两式可得 （4） 上式中C2、R2、n和S均为已知常数。所以由U2可确定B。 综上所述；将图8中的U1和U2分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B－H曲线；如将U1和U2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Br、矫顽力HC、磁滞损耗[BH]以及磁导率μ等参数。 三、实验仪器及其使用方法 实验使用杭州天煌生产的磁滞回线测试仪和磁滞回线实验仪，还要用到双踪示波器。图9是磁滞回线测试仪的面板图，图10、图11分别是磁滞回线实验仪的电路图和面板接线图。 图9 磁滞回线测试仪面板图 图10 磁滞回线实验仪电路图 图11 磁滞回线实验仪面板接线图 参照磁滞回线实验仪电路图10，将实验仪面板上的插线孔按面板接线图11上的虚线连接起来，将样品退磁后，就可以按照下面的介绍用磁滞回线测试仪进行测量了。 测试仪初始参数（即默认参数）： L 待测样品平均磁路长度 L＝60mm S 待测样品横截面积 S＝80mm2 N 待测样品励磁绕组匝数 N＝50 n 待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数 n＝150 R1 励磁电流IH取样电阻 R1＝0.5～5Ω R2 积分电阻 R2＝10kΩ C2 积分电容 C2＝10μf UHC 正比于H的有效电压，供调试用。 电压范围（0～1V） UBC 正比于B的有效电压，供调试用。 电压范围（0～1V） 测试仪按键功能 功能键：用于选取不同的功能，每按一次键，将在数码显示器上显示出相应的功能。 确认键：当选定某一功能后，按一下此键，即可进入此功能的执行程序。 数位键：连续按动此键，使小数点右移至所选定的数据输入位处，在选定某一位数码管为数据输入位后，其小数点呈闪动状。 数据键：连续按动此键，可在小数点闪动的数码管输入相应的数字。 复位键（RESET）：开机后，按复位键后数码管依次巡回显示P…8…P…8…的信号，表明测试状态已经准备就绪。测试过程中意外出现死机现象时，按此键，可使仪器进入或恢复正常工作。 测试仪器功能键的步序和作用 （1）所测样品的N与L值 按RESET键后，当LED显示P…8…P…8…时，按功能键，显示器将显示： 这里显示的N=50匝，L=60mm为仪器事先的设定值。 （２）所测样品的n与S值 按功能键，将显示： 这里显示的n=150匝，S=80mm2为仪器事先的设定值。 （３）电阻Ｒ1值和Ｈ与Ｂ的倍数代号 按功能键，将显示： 这里显示的Ｒ1=2.5Ω，H与B值的倍数代号3为仪器事先的设定值。 注：H与B值的是显示值乘上10倍数，例如上面显示，那么H和B显示值都需乘上103。 （4）电阻Ｒ2、电容C2值 按功能键，将显示： 这里显示的Ｒ2=10KΩ，C2=20μf为仪器事先的设定值。 注：N、L、n、S、Ｒ1、Ｒ2、C2、H与B的倍数代号等参数可根据不同要求进行改写，并通过SEEP操作存入串行EEROM中，掉电后数据仍可保存。 （5）定标参数显示（仅作调试用） 按功能键，将显示： 按确认键，将显示UHC和UBC电压值。 注：1、无输入信号时，禁止操作此功能键。 2、显示值不能大于1.0000，否则必须减小输入信号。 （6）显示每周期采样的总点数和测试信号的频率。 按功能键，将显示： 按确认键，将显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。例如： （7）数据采样 按功能键，将显示： 按确认键后，仪器将按步序（6）所确定的点数对磁滞回线进行自动采样，显示器显示为： 若测试系统正常，稍作片刻（5～10S）后，显示器将显示“GOOD”，表明采样成功，即可进入下一步程序操作。例如： 如果长时间不显示或显示器显示“BAD”，表明系统有误，查明原因并修复后，按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，重新进行数据采样；若按“确认”键，进入（6）确定后的状态。 （8）显示磁滞回线采样点H与B的值 连续按两次功能键，将显示： 每按二次确认键，将显示曲线上一点的H与B的值（第一次显示采样点的序号，第二次显示出该点H与B之值），采样总点数参照步序（6），H与B值的顺序进行，否则，说明数据出错或采样信号出错。 若在进行第（7）步序中只按功能键而未按确认键（表明未完成数据采样就进入第（8）步序，此时将显示：“NO，DATA”，表明系统或操作有误）。 （9）显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br 按功能键，将显示： 按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出HC和Br之值。 （10）显示样品的磁滞损耗 按功能键，将显示： 按确认键后，将按步序（3）所确定的单位显示样品磁滞损耗面积。 磁滞损耗的计算公式： 单位为 （单位参照步序（3））。 （11）显示H与B的最大值Hm与Bm 按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出Hm与Bm之值。 （12）显示 按功能键，将显示：H与B的相位差, 按功能键，将显示： 按确认键盘，如显示为： 上例显示表示，H与B的相位差是25.5°，在相位上UH超前UB. （13）与PC联机测试操作 按功能键，将显示： 按确认键,进入联机状态。 （14）UHC电压校准操作(调试时用) 按功能键，将显示： （15）UBC电压校准操作(调试时用) （16）SEEP操作(数据存入EEPROM-93C46) 按功能键，将显示： 方法:在H显示器的最高两位上写入存入码“96” 按确认键，片刻后，回显“85”，说明数据已存入EEPROM中 （17）程序结束 按功能键，将显示： 再按功能键，关闭显示；若按确认键，进入复位状态。 注意事项： 1、如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、Ｒ1、Ｒ2、C2、H与B的倍数代号等参数，则不必按确认键。如要写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。 2、按常规操作至步序（12）（显示H与B的相位差）后，磁滞会线采样数据将自动消失，必须重新进行数据采样。 3、测试过程中如显示“COU”字符，表示应继续按动功能键。 四、实验内容 1．电路连接：选样品2按图11所示的虚线连接线路，并令R1＝2.5Ω，“U选择”置于0位。UH和UB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＝2.0V或2.2V（若选用样品1，可以令U＝2.2V或2.5V），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。 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，借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。 5．观察、比较样品1和样品2的磁化性能。 6．测绘μ－H曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，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μ～H曲线。 7．令U＝3.0V，R1＝2.5Ω测定样品1的Bm、Br、Hc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。 五、实验方法与步骤 1．实验内容中的3、4、5属于观察性内容，都需要用到示波器，可以参考有关示波器的使用说明。 2．实验内容6是测绘基本磁化曲线，并作μ－H曲线。这个内容里要记录的是励磁电压由小到大变化时，各个励磁电压下所形成的磁滞回线的最大磁感应强度Bm和相应的磁化场强度Hm。测量方法如下： 1）样品退磁。 2）选择励磁电压U的值，选U＝0.5V。 3）按复位键。 4）连续按功能键，直至显示 按确认键，显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。 5）接续步骤4）按功能键至显示 按确认键，显示“GOOD”后，接着按功能键至 按确认键，显示出Hm与Bm的值，记录数据。 6）退磁，调节使励磁电压增大一档。 7）重复第3）步骤以后的步骤。 3．内容7、8需要测量某一磁滞回线的全部B－H数据。实验方法如下： 1）退磁。 2）选择R1＝2.5Ω，U＝3.0V （其实对样品1选取U＝2.2VV、样品2选取U＝2.0V就已经足够了）。 3）按复位键。 4）连续按功能键，直至显示 按确认键，显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。 5）接续步骤4）按功能键至显示 6）按确认键，显示“GOOD”后，接着连续按两次功能键，至显示 7）按确认键，显示采样点的序号，再按确认键显示出该点H与B值，记录H和B的数据。 8）按确认键，显示下一采样点的序号，再按确认键显示出下一采样点的H与B值。如此重复下去，每按两次确认键，就可以记录一组H和B的数据。 S S 软磁 软磁 软磁 硬磁 矩磁 � 图6 � 图7 退磁过程的磁滞回线 _1061154046.unknown _1061230389.unknown _1061231883.unknown _1061287670.unknown _1061288180.unknown _1061305255.unknown _1061305415.unknown _1061287903.unknown _1061235821.unknown _1061240331.unknown _1061232009.unknown _1061232064.unknown _1061231916.unknown _1061230585.unknown _1061231023.unknown _1061230739.unknown _1061230852.unknown _1061230485.unknown _1061229559.unknown _1061229844.unknown _1061230151.unknown _1061230271.unknown _1061230032.unknown _1061229700.unknown _1061204470.unknown _1061229382.unknown _1061202441.unknown _1061152899.unknown _1061153508.unknown _1061153725.unknown _1061153848.unknown _1061153647.unknown _1061153171.unknown _1061153350.unknown _1061153008.unknown _1061133978.unknown _1061134625.unknown _1061152887.unknown _1061134415.unknown _1061054926.unknown _1061056233.unknown _1061054890.unknown