1、實驗 C 磁化曲線和磁滯回線測量磁性材料應用廣泛,揚聲器永久磁鐵、變壓器鐵芯、計算機磁盤等都采 用磁性材料。鐵磁材料分為硬磁和軟磁兩大類。 硬磁材料 的剩磁 B r 和矯頑力 H c 大(102 2104 A/m ,可做 永久磁鐵 。 軟磁材料 的剩磁 B r 和矯頑力 H c 小 (102 A/m以下 , 容易磁化和去磁,廣泛用于電機和儀表制造業。 磁化曲線和 磁滯回線是磁材料的重要特性,是變壓器等設備設計的重要依據。磁滯回線測量可分靜態法和動態法。 靜態法 是用 直流 來磁化材料,得到 的 B H 曲線稱為 靜態磁滯回線 。 動態法 是用 交變 來磁化材料,得到的 B H 曲線稱為 動態磁

2、滯回線 。靜態磁滯回線只與磁化磁場的大小有關,磁樣品中 只有磁滯損耗 ;而 動態磁滯回線 不僅與磁化磁場的大小有關,還與磁化場的 頻率有關,磁樣品中 不僅有磁滯損耗,還有渦流損耗 。因此,同一磁材料在 相同大小磁化場下,動態磁滯回線的面積比靜態磁滯回線大,損耗大。 本實驗采用 動態法測量軟磁樣品的動態磁滯回線和磁化曲線 ,測量曲線 可連續或逐點顯示在 LCD (液晶屏上,直觀、簡便、物理過程清晰?！緦嶒災康摹?. 了解磁滯回線和磁化曲線概念, 加深對磁材料矯頑力、 剩磁等參數的理 解。2. 掌握磁材料磁化曲線和磁滯回線的測量方法, 確定 B s 、 B r 和 H c 等參數。3. 探討勵磁電

3、流頻率對動態磁滯回線的影響?！绢A備問題】1. 為什么測磁化曲線先要退磁?2. 為什么測量磁化曲線要進行 磁鍛煉 ?3. 為什么動態磁滯回線的面積比靜態磁滯回線大,損耗大?補充資料:P2頁 由于鐵磁材料磁化過程的 不可逆性 及具有 剩磁 的特點, 在測定磁化曲線和磁滯回線時,首先必須對鐵磁材料預先進行 退磁 ,以 保證 外加磁場 H =0時, B =0;其次,磁化電流在實驗過程中只允許單調增加或減 小,不可時增時減。12 退磁方法 ,從理論上分析,要消除剩磁 B r,只要 通一 反向電流,使 外 加 磁場 正好 等于 鐵磁材料的 矯頑磁力 就行了,實際上,矯頑磁力的大小通常 并 不知道 ,因此無

4、法確定退磁電流的大小。我們從磁滯回線得到啟示,如果 使鐵磁材料磁化達到飽和,然后不斷改變磁化電流的方向,與此同時逐漸減 小磁化電流,以至于零。那么該材料磁化過程是一連串 逐漸縮小 而 最終趨向 原點的環狀曲線 ,如圖 1所示,當 H 減小到零時, B 亦同時降到零,達到 完 全退磁 。可見,在進行測量時,一般要 先退磁 ,再進行 “ 磁鍛煉 ” ,然后進行 正式測量。P2頁 為了穩定閉合的磁滯回線, 磁材料的每個磁化狀態都要反復磁 化, 這種 反復磁化的過程 稱為 磁鍛煉 。由于動態法測量磁化曲線采用 交變電 流 , 每個 磁化 狀態都經過充分 反復磁化的過程 的 磁鍛煉 ,才可 得到 穩定閉

5、合 的磁滯回線 。P1頁 靜態的磁滯回線 所包圍的面積大小與 磁滯損耗 成正比, 而實驗中 用 交流磁化 所得的回線包圍的面積, 不僅包括 磁滯損耗 ,而且還包括 渦流損耗 ,因此,動態的回線一般 比 靜態的要大 一些?！緦嶒瀮x器】FC10-II 型智能磁滯回線實驗儀?！緦嶒炘怼?. 鐵磁材料的磁化規律(1 初始磁化曲線在強度為 H 的磁場 中放入鐵磁物質,則鐵磁物質 被磁化 ,其 磁感應強度 B 與 H 的關系為:B = H, 為磁導率 。對于鐵磁物質, 不是常數 ,而是 H 的函數。 如圖 1所示, 當鐵磁材料 從 H =0開始磁化時, B 隨 H 逐步增大,當 H 增加到 H s 時,

6、 B 趨于飽和值B s , H s 稱為 飽和磁場強度 。從未磁化到飽和磁化的這段磁化曲線 OS ,稱為 初始磁化曲線 。(2 磁滯回線圖 1初始磁化曲線圖 2 磁滯回線3如圖 2所示,當磁材料達到 飽和磁化 B s 后 ,如果將 H 減小, B 也減小, 但沿與 OS 不同的路徑 ab 返回。 當 H =0時, B=Br ,到達 b 點, B r 稱為 剩磁 。 欲使 B =0,必須加反向磁場,當 H =-H c , B =0(完全退磁 ,到達 c 點, bc 段 曲線稱為退磁曲線, H c 稱為 矯頑力 。如果反向磁場繼續增大,磁性材料將反 向磁化。當 H=-H S 時,磁化達到 反向飽和

7、 , B =-B s ,到達 d 點。此后若減小 反向磁場使 H =0,則 B = -B r ,到達 e 點;當 H=Hc 時, B =0,到達 f 點;再次 當 H=Hs 時, B =B s ,回到正向飽和狀態 a 點。 經歷這樣一個循環后形成的 閉 合曲線 abcdefa 稱為 磁滯回線 。H S 、 B S 、 B r 、 H c 是磁滯回線的特征參數。 剩磁 B r反映介質記憶能力的大小, 矯頑力 H c 反映鐵磁材料是硬磁還是軟磁。 磁性材料的 磁化特性 不僅與 材料 自身的性質有關,還與材料 形狀、磁化場頻率及波形 有關。由于磁材料 磁化過程 的 不可逆性及具有剩磁 的特點,在實驗

8、過程中 磁化電流只允許單調地增加或減少 ,不能時增時減。 當從 初始狀態 H =0、 B =0開始周期性地 改變 H 的大小和方向 時,可以得到 面積由大到小 的 磁滯回線簇 ,如圖 3所示。圖 3的 原點 0和各 磁滯回線的頂點 a 1,a 2,a 3, , a 所連成的曲線 , 就是 初始磁化曲線 。在 測定初始磁化曲線 時,首先 必須 將磁材料充分 退磁 ,以保證 每次 都是從原始狀態(H =0, B =0開始。退磁 方法為 :先 用大磁化電流讓鐵磁材料 飽和磁化 ,然 后 緩慢 減小 交變電流,利用逐漸衰減的交變電流對磁材料 反復磁化 ,最后將 圖 3 磁滯回線簇 圖 4 退磁過程4電

9、流調為零, 重復 23次 即可 完全退磁 。 退磁回線是一串 面積逐漸縮小 而 最 終 趨于原點 0的環狀曲線 ,如圖 4所示。為了 得到穩定閉合的磁滯回線 ,磁材料的 每個磁化狀態都要反復磁化 , 這種 反復磁化的過程 稱為 磁鍛煉 。由于動態法測量磁化曲線采用 交變電流 , 每個狀態都經過充分的 磁鍛煉 ,所以可隨時測得 穩定閉合的磁滯回線 。2. 實驗原理如圖 5所示,待測樣品為 磁環 ,磁環的 勵磁線圈匝數 為 N 1,測量磁環磁 感應強度 B 的 測量線圈匝數 為 N 2。 R 1為勵磁電流的取樣電阻, R 2為積分電阻, C 為積分電容。在線圈 N 1中通入磁化電流 I 1,根據安

10、培環路定律,磁環中產 生的磁場 H 為: L I N H 11= (1式中 L 為磁環樣品的平均 磁路長度 。取樣電阻 R 1的輸出電壓為: 11R I U H = (2由式(1和式(2得: (3 在式(3中, N 1、 L 、 R 1為已知常數,只要測出 U H ,就得到磁場強度 H 。 設磁場 H 在磁環樣品中產生的磁感應強度為 B ,由電磁感應原理可知, 有效橫截面積為 S 2的測量線圈的 磁通量 =BN2S 2, 測量線圈 產生的 感生電勢 為: (4為了測量 B ,用 R 2C 電路對感生電勢 E 2進行積分,選擇 R 2和 C 的數值 電 源 圖 5 測量原理5 使 R 2>

11、>1/C , 為勵磁電流的圓頻率( 即角頻率 =2f ,則 E 2 I 2 R 2, 積分電容 C 的輸出電壓 U B 為:B CR S N dB CR S N dt E CR dt I CC Q U U c B =222222211 (5由式(5得: B U SN CR B 22= (6 式(6中, N 2、 C 、 S 、 R 2為已知常數,只要測出 U B ,就得到 磁場感應 強度 B ?！緦嶒瀮热菖c步驟】圖 6是 FC10-II 型智能磁滯回線實驗儀,包括樣品測試箱(有紅色和藍色 兩個磁環樣品和 LCD 智能測試儀兩個部分, LCD 顯示屏可代替示波器 直接顯 示 測量曲線和剩磁

12、、 矯頑力 等數據, 實驗數據及輸入參數可保存和隨時調用。 其詳細使用方法見附錄 1。1. 選擇 測試箱的 磁樣品 (紅色或藍色磁環 。 紅色磁環 為 軟磁材料 , 藍色 磁環為 硬磁材料 ,它們的幾何 參數 相同:截面 S =124mm2,平均磁路長度 L =130mm, N 1 =N 2 =100匝。按圖 6連線:將測試箱 信號源 的輸出端連到磁樣品的 勵磁線圈輸入端 ,將 磁 樣品測量線圈的輸出端 連到 RC 積 分電路的輸入端 , 將測試箱 U H 和 U B的輸出端 分別接到 LCD 智能測試儀的 U H (X和 U B (Y的輸入端 , 并將它們的接地端相連。 2. 選取 測試箱

13、元件參數 。 取樣電阻 R 1=5.5 , 積分電阻 R 2=30K,積分電容 C = 3.0F , 保證 R 2>>1/C 。 注意:R 2不能小于 10 K, C 不能小于1.0F ,否則磁滯回線會 畸變 。3. 觀察磁滯回線簇和初始磁化曲線圖 6 FC10-II 型智能磁滯回線試驗5. 5 R 1 R 2 C N 1 N 2 L S(1接通實驗儀電源,選取勵磁信號源的幅度和頻率。勵磁信號源為正 弦波,頻率在 20 200Hz 連續可調,并由 4位數碼管顯示,幅度可用波段開關分 檔可調。選取正弦信號的 頻率 (如 50Hz , 幅度波段開關 放合適位置(如 I 檔 。 (2用

14、LCD 智能測試儀 觀測磁滯回線簇和初始磁化曲線 打開 LCD 智能測試儀的電源后, LCD 顯示初始界面,屏幕右下角顯示 “F S ” 字符,表示目前可以響應 “ S/預置” 鍵和 “ F/采樣間隔 ” 鍵 ,其他按鍵目 前暫不能響應。 說明:按鍵上的“數字”或“字母”代表該鍵編號,按鍵上 的“漢字或 +1/-1”代表該鍵的功能。 按 “ S/預置” 鍵:通過“ 0/+1”“ 1/-1” , “ 2/左移”, “ 3/右移 ” 鍵來 設置 “取樣電阻 R 1、積分電阻 R 2、積分電容 C ” 參數 ,以便微電腦可以根據實 驗數據計算 B 或 H 值,描繪磁滯回線或磁化曲線。磁樣品的“ L

15、、橫截面積 S 、 勵磁線圈匝數 N 1、測量線圈匝數 N 2”已經預置好,不要修改。參數設置好后, 按 “ D/確定” 鍵,保存設置參數。此時 LCD 上顯示 B -H 直角坐標軸。 按 “ 5/回線簇 ” 鍵:自動測量并顯示一條與勵磁正弦信號幅度相對應 的 磁滯回線 。依次將勵磁正弦信號的 幅度波段開 關調至 II 檔、 III 檔,則 自動測量并顯示面積逐次增大的其他磁滯回線, 得到磁滯回線簇 (共測 6條磁 滯回線 , 將 原點 0與各磁滯回線的頂點 a 1,a 2,a 3, , a 相連 , 得到 初始磁化曲線 。 觀察并記錄這些磁滯回線的形狀與特征,以便與后面逐點測量的磁滯回線比

16、較。4. 逐點測量初始磁化曲線(1將勵磁正弦信號的頻率調為 50Hz ,幅度波段開關調至 0檔,從退磁 狀態開始測量。(2按“ D/確定”鍵,結束當前操作。(3按“ 4/起始磁化曲線”鍵:測量并顯示與勵磁正弦信號幅度相對應 的起始磁化曲線的一個點及 B 、 H 值,將 B 、 H 值記錄到 數據表 1(自擬 ;然 后將勵磁正弦信號的幅度波段開關調至 I 檔 ,按“ 4/起始磁化曲線”鍵,則顯 示磁化曲線的 第 2個點 和 B 、 H 值, 記錄 B 、 H 值 ;依次方法逐步增大勵磁正弦 信號幅度直到磁化曲線飽和,從而得到起始磁化曲線。將所有點的 B 、 H 值記 錄到數據表 1。 畫出 LC

17、D 屏上的 初始磁化曲線 ,以作數據處理時參考。6注意:如果漏記了前面某個測量點的 B 、 H 值,可以按 “ 7/逐點查詢” 鍵來查詢。每按 1次該鍵,從磁滯回線右上角開始按選擇的步長和逆時針方 向, LCD 屏上用“加亮”方式顯示該點,并 顯示該點的 B 和 H 值 。(4將勵磁正弦信號的 頻率調為 100Hz ,重復上述操作,再測 另 一條初 始磁化曲線,與 50Hz 初始磁化曲線進行 比較 。表 1 (硬磁材料 初始磁化曲線的測量數據表 (1按 “ D/確定”鍵,結束 當前操作。(2將勵磁正弦信號的頻率調為 50Hz ,幅度波段開關調至 飽和磁化 幅度 (如 IX 檔 。(3按 “ 6

18、/逐點測量” 鍵:LCD 屏顯示磁滯回線右上角的一點和 B 、 H 值, 將 B 、 H 值記錄到數據表 2(自擬 。再按一次“ 6/逐點測量”鍵,按默認的步 長、逆時針方向測量并顯示磁滯回線第二個點和 B 、 H 值,記錄 B 、 H 值。不 斷按“ 6/逐點測量”鍵 ,直到得到 一條完整的磁滯回線 ,將所有點的 B 、 H 值 記錄到數據表 2中。畫出 LCD 屏上的磁滯回線,讀出 H S 、 B S 、 B r 、 H c 值,以作 數據處理時參考。表 2 (50Hz 時 逐點測量磁滯回線的測量數據表 7注意:(1如果 LCD 顯示的磁滯回線頂部出現編織狀小環,則可減小 勵磁信號幅度消除

19、。(2如果 LCD 顯示的磁滯回線大小不合適, 可以通過 “ 8/B縮小” 鍵、 “ 9/B放大”鍵、 “ A/H放大”鍵、 “ X/H縮小“鍵在“ B 坐標方向”或“ H 坐標方向” 放大或縮小磁滯回線。(3如果漏記了前面某個測量點的 B 、 H 值,可以按“ 7/逐點查詢” 鍵來查詢。每按 1次該鍵,從磁滯回線右上角開始按選擇的步長和逆時針方 向, LCD 屏上用“加亮”方式顯示該點,并顯示該點的 B 和 H 值。(4將勵磁正弦信號的頻率調為 100Hz ,重復上述操作,再測一條磁滯 回線,與 50Hz 磁滯回線進行比較?！緮祿幚怼?. 根據逐點測量的初始磁化曲線數據表, 同一坐標紙上畫

20、出 50Hz 與100Hz 勵磁信號的 初始磁化曲線 ,并 討論 兩條初始磁化曲線的異同與原因。2. 根據 逐點測量 的 磁滯回線 數據表,在 與初始磁化線 同一坐標紙 上畫出 50Hz 與 100Hz 勵磁信號的磁滯回線,并從曲線上 確定 飽和磁感應強度 B S 、 剩余磁感應強度 B r 和矯頑力 H C 。 討論 兩條初始磁滯回線的異同與原因。 【思考題】1. 在測量磁滯回線下降段曲線時,勵磁電流先從 0.55A 變到了 0.25A 測 量,如果想補測 0.40A 這點,能否將電流直接從 0.25A 調回 0.40A 測量,然 后再從 0.40A 調到 0.10A 繼續測量,為什么?由于

21、磁材料 磁化過程 的 不可逆性及 磁材料 具有剩磁 的特點, 以及磁化狀 態與磁化歷史有關, 磁滯回線又與其起始端點的磁化狀態有關。因此,在測89同一條磁滯回線時, 磁化電流只允許單調地增加或減 少 ,不能時增時減,即 勵磁電流必須沿同一個方向單 調增大或減小,不允許突然改變增減方向。2. 在電流步進法測圖 7所示的磁滯回線時, 若在勵磁電流為正向飽和電流 I S 時突然斷開測試儀電源,此時鐵磁材料的 剩磁 為 多少? ( 1.0×10-5T 【附錄 1】 FC10-II 型智能磁滯回線實驗儀的使用方法FC10-II 型智能磁滯回線實驗儀包括樣品測試箱和 LCD 智能測試儀兩個 部分

22、。1. 樣品測試箱 (面板如附圖 1所示 (1勵磁信號源:正弦波,頻率連續可調 20200Hz 連續可調, 4位數碼 管顯示, 幅度可用波段開關分 10檔可調。 (2采樣電阻 R 1:二盤電阻箱:(010 (1+0.1,步長 0.1。 (3積分電阻 R 2:二盤電阻箱:(010 (10+1k, 。附圖 1 樣品測試箱面板圖 7 實驗測量曲線 10(5紅色磁環為軟磁材料,藍色磁環為硬磁材料 . 截面 S =124mm2,平均磁路長 度 L =130mm, N 1 =N 2 =100匝。2. LCD智能測試儀 (面板如附圖 2所示 (1功能:微電腦控制, 240128點陣 LCD 顯示,觸式鍵盤開

23、關;自動 連續和逐點步進測量磁環樣品的用初始磁化曲線和動態磁滯回線,測量步長 可設置;由示波器和點陣 LCD 顯示曲線和和剩磁、矯頑力等參數;實驗數據 及輸入參數可保存和隨時調用; 通過改變勵磁信號的幅度, 自動測量并在 LCD 顯示磁滯回線簇 (110條磁滯回線 ; LCD 顯示的曲線可通過按鍵放大或縮小; 在測量過程中, 能自動調節坐標的顯示范圍, 以確保任何測量點均顯示在 LCD 內;可通過按鍵移動光標逐點查詢磁滯回線的 B 或 H 值,并在磁滯回線上用 “加亮”方式顯示該點。(2鍵盤功能鍵面標注“ 0-9”數字 /“中文”或“ A-X ” 字母 /“中文” ,其中“ 0-9”數 字或

24、” A-X ” 字母是該鍵的代碼,而“中文”表示該鍵的功能?！皬臀弧辨I:LCD 顯示“歡迎使用智能磁滯回線實驗儀,佛山科學技術學院研制” , LCD 右下方顯示可以響應的按鍵代碼,如“ S D”,表示當前可 響應“ S/預置” 、 “ D/確定”鍵,其他鍵當前暫不響應。 附圖 2 LCD 智能測試儀面板“S/預置”鍵：通過“ 0/+1”“1/-1”“2/左移”， ， “3/右移”鍵來設置磁 樣品“磁路長度、橫截面積、勵磁線圈匝數、測量線圈匝數”和“取樣電阻 R1、積分電阻 R2、積分電容 C”等參數，以便微電腦可以根據實驗數據計算 B 或 H 值，描繪磁滯回線或磁化曲線。參數設置后，按“D/確定”鍵存貯設置 參數。 “D/確定”鍵：確認“預置參數” ，或