1、用示波法測(cè)量鐵磁材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線和基本磁化曲線磁性材料應(yīng)用廣泛，從常用的永久磁鐵、變壓器鐵芯到錄音、錄像、計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)的磁盤等都采用磁性材料。磁滯回線和基本磁化曲線反映了磁性材料的主要 特征。通過(guò)實(shí)驗(yàn)不僅能掌握用示波器觀察磁滯回線，以及基本磁化曲線的基本測(cè) 量方法，而且能從理論和實(shí)際應(yīng)用上加深對(duì)鐵磁材料的認(rèn)識(shí)。鐵磁材料分為硬磁和軟磁兩大類，其根本區(qū)別在于矯頑磁力H的大小不同。 硬磁材料的磁滯回線寬，剩磁和矯頑力大（達(dá)12020000A/m以上），因而磁化 后，其磁性可長(zhǎng)久保持，適宜做永久磁鐵。軟磁材料的磁滯回線窄，矯頑力H 一C 般小于120A/m，但其磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，容易磁化和去

2、磁，故廣泛用于 電機(jī)、電器和儀表制造等工業(yè)部門。磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料的重要特性， 是設(shè)計(jì)電磁機(jī)構(gòu)和儀表的重要依據(jù)之一。磁學(xué)量的測(cè)量一般比較困難，通常利用一定物理規(guī)律，將磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為易于 測(cè)量的電學(xué)量。這種轉(zhuǎn)換測(cè)量法是物理實(shí)驗(yàn)中常用的基本測(cè)量方法。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、認(rèn)識(shí)鐵磁物質(zhì)的磁化規(guī)律，比較三種典型的鐵磁物質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化特性2、測(cè)定樣品的基本磁化曲線，并在坐標(biāo)紙上作出r-H曲線。3、測(cè)定樣品的Hc、B、Bs等參數(shù)4、學(xué)會(huì)用示波器測(cè)繪基本磁化曲線和動(dòng)態(tài)磁滯回線。二、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)度比沒(méi)放入鐵磁物質(zhì)時(shí)電流產(chǎn)

3、生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大百倍，甚至在 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：B = r H對(duì)于鐵磁物質(zhì)而言，磁導(dǎo)率r并非常數(shù)，而是隨H的變化而變化的物理量， 即r= f （H），為非線性函數(shù)。所以B與H也是非線性關(guān)系，如圖（1）所示：B-H起始磁化曲線和磁滯回線圖（2）磁化曲線和口-H曲線起始磁化曲線和磁滯回線圖（2）圖（1）鐵磁材料的磁化過(guò)程為：其未被磁化時(shí)的狀態(tài)稱為去磁狀態(tài)，這時(shí)若在鐵磁 材料上加一由小到大變化的磁化場(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。但當(dāng)H增加到一定值（Hs）后，B幾乎不再隨著H的增加而增 加，說(shuō)明磁化達(dá)到飽和，如圖（1）中的OS段

4、曲線所示。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。2、磁滯回線當(dāng)鐵磁材料的磁化達(dá)到飽和之后，如果將磁場(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(guò)程并不是沿著磁化時(shí)的OS段退回。顯然，當(dāng)磁化 場(chǎng)撤消，H =0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度仍然保持一定數(shù)值B = B，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B減小到0，必須加上一個(gè)反向磁場(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。時(shí)（圖2上的C點(diǎn)）， 磁感應(yīng)強(qiáng)度B才為0，達(dá)到退磁。圖（2）中的bc段曲線免退磁曲線，%為矯頑 力。如圖（2）所示，H按O H O -H -H O H H的順序 變化時(shí)

5、，B相應(yīng)沿O B B 4 O -B 丁-B O B的順序變化。圖中 的Oa段曲線稱起始磁化曲線，所形成的封閉曲線rbcdefa稱為磁滯回線。由圖（2）可知：（1） 當(dāng)H =0時(shí)，B。0，這說(shuō)明鐵磁材料還殘留一定值的磁感應(yīng)強(qiáng)度B通 常稱B為鐵磁物質(zhì)的剩余感應(yīng)強(qiáng)度（剩磁）。（2）r若要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，即B = 0必須加一個(gè)反向磁場(chǎng)Hc。這個(gè)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度H稱為該鐵磁材料的矯頑力。C（3）（4）c圖中bc曲線段稱為退磁曲線。B的變化始終落后于c圖中bc曲線段稱為退磁曲線。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。H的上升與下降到同一數(shù)值時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部的B值并不相同，即磁化（6）當(dāng)從初始狀

6、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)增加過(guò)程中，可以得到面積由大到小的一簇磁滯回線，如圖（3） 所示。其中最大面積的磁滯回線稱為極限磁滯回線。（7）由于鐵磁材料磁化過(guò)程的不可逆性及具有剩磁的特點(diǎn)，在測(cè)定磁化曲線和 磁滯回線時(shí)，首先須將鐵磁材料預(yù)先退磁，以保證外加磁場(chǎng)H = 0時(shí)，B = 0；其 次，磁化電流在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只允許單調(diào)增加或減少，不能時(shí)增時(shí)減。在理論上， 要消除剩磁Br，只需改變磁化電流方向，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，因而無(wú)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)到磁

7、飽和，然后不斷改變磁化電 流的方向，與此同時(shí)逐漸減小磁化電流，直至為零。則該材料的磁化過(guò)程就是一 連串逐漸縮小而最終趨于原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖（4）所示BB圖（3）圖（4）實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)磁化后，B H的量值關(guān)系形成一個(gè)穩(wěn)定的閉合的 “磁滯回線”。通常以這條曲線來(lái)表示該材料的磁化性質(zhì)。這種反復(fù)磁化的過(guò)程 稱為“磁鍛煉”。本實(shí)驗(yàn)采用50赫茲的交變電流，所以每個(gè)狀態(tài)都是經(jīng)過(guò)充分的 “磁鍛煉”，隨時(shí)可以獲得磁滯回線。我們把圖（3）中原點(diǎn)O和各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)a ,a ,a a所連成的曲線，123 n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同的。為了 使樣品的磁特性可以重復(fù)出現(xiàn)

8、，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。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)，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)制造永久 磁體。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)線路如圖（5）所示。圖（5）本實(shí)驗(yàn)研究的鐵磁物質(zhì)為環(huán)型和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。R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，根據(jù)安培環(huán)路定律，樣品

9、1的磁化場(chǎng)強(qiáng)為：L為樣品的平均磁路長(zhǎng)度（如圖6）因?yàn)椋篿廣%，所以:1Ni NH = = 一x UL LR i1（1）式中的N、L、R均為已知常數(shù)，所以由U可確定H。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RC電路給定的，由于樣品中的磁通4的變化，在測(cè)量線圈中產(chǎn)生的感(1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律 生電動(dòng)勢(shì)的大小為：dq =孔-1 f ,q = 一 J e 2dt_ 1，B = s = - e dt(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 = i R + U22 22式中i為感生電流，U為積分電容C兩端電壓，設(shè)在噸時(shí)間內(nèi)，i向電容C的充,22電電量為Q，則：

10、222U = Q2 C2所以， 2 =2 R2 + C2如果選取足夠大的R和C ,使i AQ則:222 2 C因?yàn)? 2 = 2 #2所以. dQ _ dU 丁 dt= C 2 打由（2）、（3）兩式可得：dU = c R d2(3)B = C?； U(4)上式中C、R、n和S均已知常數(shù)。所以由U可確定B。綜上所述，將圖（4）中的U（U）和U2（U）分別加到示波器的“乂輸入”一 .1 _ H 2. 一 一和“丫輸入”便可觀察樣品的動(dòng)態(tài)磁滯回；接上數(shù)字電壓表則可以直接測(cè)出U（U） 和U（U）的值，即可繪制出B H曲線，通過(guò)計(jì)算可測(cè)定樣品的飽和磁感1應(yīng)強(qiáng) 度B剩磁B、矯頑力H、磁滯損耗（BH）以及

11、磁導(dǎo)率等參數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、電路連接：選擇樣品2,按實(shí)驗(yàn)儀上所給的電路接線圖連接好線路。開啟儀器電源開關(guān)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓U=0，U和U分別接示波器的貸輸入”和“Y輸入”， 插孔“上”為接地公共端。H B2、樣品退磁：開啟儀器電源開關(guān)，對(duì)樣品進(jìn)行退磁，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電壓U 的調(diào)節(jié)旋鈕，觀察數(shù)字電壓表可看到U從0逐漸增加增至最大，然后逆時(shí)針?lè)较?轉(zhuǎn)動(dòng)電壓U的調(diào)節(jié)旋鈕，將U逐漸從最大值調(diào)為0，這樣做目的是消除剩磁，確保 樣品處于磁中性狀態(tài)，即B = H = 0，如圖（7）所示，圖退磁示意圖圖苗ggf躇3、觀察樣品在50H交流信號(hào)下的磁滯回線：開啟示波器電源，斷開時(shí)基掃描， Z調(diào)節(jié)示波器上“X”、“Y

12、”位移旋鈕，使光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓U 和示波器的X和Y軸靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)大小合適、美觀的磁滯回線圖形（若 圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，如圖（8）所示，這時(shí)可降低U予以消除）。4、觀察基本磁化曲線，按步驟2對(duì)樣品2進(jìn)行退磁，從U=0開始，逐漸提高 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)的一蔟磁滯回線。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)繪基本磁化曲線，并據(jù)此描繪日-H曲線：接通實(shí)驗(yàn)儀的電源，對(duì)樣品進(jìn) 行退磁后，依次測(cè)定U = 0，0.2，0.4，0.6.3.0V時(shí)的若干組H和8值，作B-H 曲線和日-H曲

13、線。6、令U = 3.00V，觀測(cè)動(dòng)態(tài)磁滯回線：從己標(biāo)定好的示波器上讀取U （U ）、U （U ） 值（峰值），計(jì)算相應(yīng)的H和8，逐點(diǎn)描繪而成。再由磁滯回線測(cè)定樣品的丫8： B和H等參數(shù)。7、同法觀察、樣品1和樣品3的磁化性能。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 （1）作B H基本磁化曲線與R-H曲線選擇不同的U值，分別記錄U、UY并填入記錄表一。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)儀的輸出 U = U，U = U，可先作出U U曲線如圖（9）。Y , B X HY X據(jù)公式：B = CR U 2（其中 U 2 = U b ）Ni N H = 1 = U 1（其中 U1 = Uh ）1可分別計(jì)算出B和H，作出B H基本磁化曲線與R-H曲

14、線。表一（樣品2）Uy(mV)Uy(mV)U(V) 0-6VX軸格數(shù)乘靈敏度UX（V）Y軸格數(shù)乘靈敏度Uy (mV)HX104 (A/m)BX102Tm=b/h（亨利/米）0.00.0000.0000.20.1508.9000.40.02617.400.60.03626.300.80.04434.101.00.05444.001.20.06353.001.40.07362.901.60.08473.401.80.10084.202.00.13598.802.20.226112.52.40.344119.42.60.462122.92.80.582125.53.00.708126.8（2）動(dòng)態(tài)磁

15、滯回線的描繪在示波器熒光屏上調(diào)出美觀的磁滯回線，測(cè)出磁滯回線不同點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的格數(shù)， 然后將數(shù)據(jù)填入下表：X（格）-3.6-3.4-3-2.8-2.6-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2Y （格）-2.1-2.1-2-1.9-1.8-1.6-1.38-1011.51Y2格）-2.1-2.1-2.1-2.06-2-2-1.95-1.9-1.9-1.85-1.8x（格）-1011.61.822.22.42.633.4Y （格）1.71.851.9522.012.032.042.062.12.12.11Y （格）-1.75-1.64-1.300.81.21.61.821.91.982.1在坐標(biāo)紙上繪出動(dòng)態(tài)磁滯回線（如下圖）X（格數(shù)）從上圖中可知：Y最大值即U?（峰值），據(jù)此計(jì)算出磁性材料的飽和磁