-
铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
在各类磁
介质中,应用最广泛的是铁磁物质。在
20
世纪初期,铁磁材料
主要用在电机制
造业和通讯器件中,如发电机、变压器和电表磁头,而自
20
世纪
50
年代以来,随着
电子计算
机和信息科学的发展,应用铁磁材料进行信息的存储和纪录,例如现以成为家喻
户晓的磁带、
磁盘,不仅可存储数字信息,也可以存储随时间变化的信息;不仅可用作计
算机的存储器,而
且可用于录音和录像,已发展成为引人注目的系列新技术,预计新的应
用还将不断得到发展。
因此,对铁磁材料性能的研究,无论在理论上或实用上都有很重要
的意义。
磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主
要特征。本实验仪用交流电对铁磁材
料样品进行磁化,
测绘的<
/p>
B-H
曲线称为动态磁滞回线。
测量铁磁
材料动态磁滞回线的方法很多,
用示波器测绘动态磁滞回线具有直观、方便、迅速及能在
不同磁化状态下(交变磁化及脉冲磁
化等)进行观察和测绘的独特优点。
一、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
.掌握铁磁材料磁滞回线的概念。
3
.掌握测绘动态磁滞回线的原理和方法。
4
.测定样品的基本磁化曲线,作μ-
< br>H
曲线。
5
p>
.测定样品的
H
C
、
B
r
、
H<
/p>
m
和
B
m
等参数。
6
.测绘
样品的磁滞回线,估算其磁滞损耗。
二、实验原理
1
.铁磁材料的磁滞特性
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< p>
(铁氧体)
均属铁磁物质。
其特性之一是在外磁场
作用下能被强烈磁化,
故磁导率μ
=B/H
很高。
另一特征是磁滞,
铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过
程中磁场强度
H
与磁感应强度
B
之间关系
的特性。即磁场作用停止后,铁磁物质仍保留磁化状态,图<
/p>
1
为铁磁物质的磁感应强度
B
与磁
场强度
H
之间的关系
曲线。
将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化,
p>
图中的原点
O
表示磁化之前铁磁物质处
p>
于磁中性状态,即
B
=
H
=
O
,当磁场强度
H
从零开始增加时,磁感应强度
B
< br>随之从零缓慢上
升,如曲线
oa
所示,继之
B
随
H
迅速增长,如曲线
ab
所示,其后
B
的增长又趋缓慢,并当
H
增至
H
S
时,
B
达到饱和值
B
S
,这个
过程的
oabS
曲线称为起始磁化曲线。如果在达到饱和状态<
/p>
之后使磁场强度
H
减小,这时磁感应强度
B
的值也要减小。图
1
表明,当磁场从
H
S
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,对
应的
B
值比原先的值大,说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。比较线段
OS<
/p>
和
SR
可知,
H
减小
B
相应也减小,
< br>但
B
的变化滞后于
H
的变化,
这种现象称为磁滞。
磁滞的明显特征是当
H
=
O
时,磁
感应强度
B
值并不等于
0
,而是保留一定大小的剩磁
Br
。
< br>
-1-
图
1
铁磁
物质
B
与
H
的
关系曲线
图
2
铁磁材料的基本磁化曲线
当磁场反向从
O
逐渐变至-
H
D
时,磁感应强度<
/p>
B
消失,说明要消除剩磁,可以施加反向
磁场。当反向磁场强度等于某一定值
H
D
时,磁感应强度
B
值才等于
0
,
H
C
称为矫顽力,
它的
大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力,曲线
RD
称为退磁曲线。如再增加反向磁场的磁场强
H
,
铁磁材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态,逐渐减小反向磁场的磁场强度至
0
p>
时,
B
值减小为
B
r
。这时再施加正向磁场,
B
值逐渐减
小至
0
后又逐渐增大至饱和状态。
<
/p>
图
1
还表明,当磁场按
< br>H
S
→
O
→
H
C
→
-
H
S
→
O
→<
/p>
H
D
?
→
H
S
次序变化,相应的磁感应强度
B
则
沿闭合曲线
SRD<
/p>
S
?
R
?
D
?
S
变化,
可以看出磁感应强度
B
值的变化总是滞后于磁
场强度
H
的变化,
这条闭合曲线称为磁
滞回线。
当铁磁材料处于交变磁场中时
(如变压器中的铁心)<
/p>
,
将沿磁滞回
线反复被磁化→去磁→反向
磁化→反向去磁。磁滞是铁磁材料的重要特性之一,研究铁磁材料
的磁性就必须知道它的
磁滞回线。
各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线,
主要是磁滞回
线的宽、
窄不同和矫顽力大小不同。
当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热,要消耗额外的能量,因为反复磁化时
磁体内分子的状态不断改变,所以分子振动加剧,温度升高。使分子振动加剧的能量是产生磁
场的交流电源供给的,并以热的形式从铁磁材料中释放,这种在反复磁化过程中能量的损耗称
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,当初始状态为
H
=
B
=
O
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<
/p>
2
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。
基本磁化曲线上点与原点连线的斜率
称为磁导率,由此可近似确定铁磁材料的磁导
?
B
率
μ
,
它表征在给定磁场强度条件下单位
H
所激励出的磁感应强度
B
,
直接表示材料磁化
H
性
能强弱。从磁化曲线上可以看出,因
B
与
H
非线性,铁磁材料的磁导率μ不是常数,而是随
H
而变化,如图
3
所示。当铁磁材料处于磁饱和状
态时,磁导率减小较快。曲线起始点对应的
磁导率称为初始磁导率,磁导率的最大值称为
最大磁导率,这两者反映
?
-H
曲线的
特点。另外
铁磁材料的相对磁导率
?
0
=B/B
0
可高达数千乃至数万,
p>
这一特点是它用途广泛的主要原因之一。
-2-
图
3
铁磁材料
?
与
H
并系曲线
图
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
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、矫顽力小
(<10
2
A/m)
、剩磁和磁滞损耗均较小,磁滞
特性不显
著,可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性,这种材料容易磁化,也容易
退磁
,是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。而硬磁材料
的磁滞回线较宽,矫顽力大(
>10
2
A/m
),剩磁强,磁滞回线所包围的面积肥大,磁滞特性显
著
,
因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁,
并且这种剩磁不
易消除,
可用来制造永磁体。
2
.测绘磁滞回线原理
磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分。
2.1
实验仪
配合
PC
机,即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线
。
它由励磁电源、铁磁材料样品、电路板以及实验接线图等部
分组成。
图
5
磁滞回线实验仪的实验接线示意图
励磁电源由
220V
,
50Hz
的市电经变压器隔离、降压后供试样磁化。电源输出电压共分
11
档,即
0
、
0.5
、
1.0
、<
/p>
1.2
、
1.5
、
1.8
、
2.0
、
2.2
、
2.5
、
2.8
和
3.0V
,各档电压通过安置在电路板上
的波段开关实现切换。
< br>
铁磁材料样品
1
和样品
2
为尺寸(平均磁路长度
L
< br>和截面积
S
)相同而磁性不同的两只
EI
-3-
型铁芯,两者的励磁绕组匝数
N
和磁感应强度
B
的测量绕组
匝数
n
亦相同。
p>
N
=
50
,
n
=
150
,
L
=
60mm
,
S
=
80mm
2
。
电路板上装有电源开关、样品
1
和样品
2
、励磁电源“
U
选择”和测量励磁电流(即磁场
强度
H
)的取样电阻“
R
1
< br>选择”
、以及为测量磁感应强度
B
所设定的积分电路元件
R
2
、
C
2
等。
以上各元器件(除电源开关)均已通过电路板与其对应的锁紧插孔连接,只需采用专用导
线,便可实现电路连接。
此外,设有电压
p>
U
B
(正比于磁感应强度
< br>B
的信号电压)和
U
H
(正比于磁场强度
H
的信号
电压)的输出插孔,用以连接示波器,观察磁滞回线波形和连接测试仪作定量测试用。
2.2
测试仪
< br>图
6
所示为智能磁滞回线测试仪原理框图,测试仪与实验
仪配合使用,能定量、快速测定
铁磁性材料在反复磁化过程中的
H
和
B
之值,
并能给出其剩磁、
矫顽力、
磁滞损耗等多种参数。
图
6
智能磁滞回线测试仪原理框图
智能磁
滞回线测试仪面板如图
3
所示,下面对测试仪使用说明作介绍<
/p>
1
)
参数
L
待测样品平均磁路长度
p>
L
=
60mm
。<
/p>
S
待测样品横截面积
p>
S
=
80mm
2<
/p>
。
N
待测样品励磁绕组匝数
p>
N
=
50
。
n
待测样品磁感应强度
B
的测量绕组匝数
n
=
150
。
R
1
励磁电流
i
H
取样电阻,阻值
0.5
~
5
Ω。
R
2
p>
积分电阻,阻值
10K
。
< br>
C
2
积分电容,容量
20?
F
。
U
HC
正比
于
H
的有效值电压,供调试用。电压范围(
0
~
1V
)
。
-4-
U
BC
正比
于
B
的有效值电压,供调试用。电压范围(
0
~
1V
)
。
图
3
智能磁滞回线测试仪面板图
2
)瞬时值
H
与
B
p>
的计算公式
:
U
B
R
2
C<
/p>
2
NU
H
B
p>
=
H
=
LR
nS
1
3
)测量准备
p>
先在示波器上将磁滞回线显示出来,然后开启测试仪电源,再连接测试仪和实验仪之间的
p>
信号连线。
4
)测试仪按键功能
(
p>
1
)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。
(
2
)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。
< br>(
3
)数位键:在选定某一位数码管为数据输入位后,连
续按动此键,使小数点右移至所选
定的数据输入位处,此时小数点呈闪动状。
(
4
)数据键:连续按
动此键,可在有小数点闪动的数码管输入相应的数字。
(
p>
5
)复位键(
RESET
< br>)
:开机后,显示器将依次巡回显示
P
< br>…
8
…
P
…
8
…
的信号,表明测试
系统已准备就绪。在测试过程中由于外来的干扰出现死机现象时,应按此键,使仪器进入或恢
复正常工作。
5
)测试仪操作步骤
(
1
)所测样品的
N
与
L
值
p>
按
RESET
键后,当
LED
显示
P
…
< br>8
…
P
…
8
…
时,按功能键,显示器将显示:
H
B
千匝
百匝
十匝
个匝
百毫米
十毫米
个毫米
分毫米
这里显示的
N
=
50
匝、
L
=
60mm
为仪器事先的设定值<
/p>
(如要改写上述参数,
可参阅附录Ⅰ)
。
(
2
)所测
样品的
n
与
S
值
按功能键,将显示:
H
B
千匝
百匝
十匝
个匝
百毫米
2
十毫米
2
个毫米
2
分毫米
2
p>
N.
0
0
5
0
L.
0
6
0.
0
n.
0
1
5
0
S.
0
8
0.
0
-5-
这里显示的
n
=<
/p>
150
匝、
S
=
80mm
2
为仪器事先的设定值(如要
改写上述参数,可参阅附录
Ⅰ)
。
<
/p>
(
3
)电阻
R<
/p>
1
值和
H
与
p>
B
值的倍数代号
按功能键,将显示:
p>
r
1.
2.
5
p>
0
H.
3
B.
p>
3
H
B
1
Ω
0.1
Ω
0.01
Ω
H
与
B
p>
值的倍数代号
这里显示的
R
1
=
2.5
Ω、
H
与
B
值的倍数代号
3
为仪器事先的设定值(如要改写上述参数,
p>
可参阅附录Ⅰ)
。
p>
注:
H
与
B
值的倍数是指其显示值需乘上的倍数
倍数代号
倍数及单位
1
×
10
安<
/p>
/
米
2
×
p>
10
2
安
/
米
H
值倍数
3
×
p>
10
3
安
/
米
4
×
10
4<
/p>
安
/
米
5
×
p>
10
5
安
/
米
倍数代号
倍数及单位
1
×
10
-1
特斯拉
2
×
1
特斯拉
B
值倍数
3
×
10
特斯拉
4
×
10
2
特斯拉
5
×
10
3
特斯拉
(
p>
4
)电阻
R
2
p>
、电容
C
2
值
p>
按功能键,将显示:
0
B
C
2.
2
0.
0
H
r
2.
1
0.
10K
1K
0.1K
10μF
1μF
0.1μF
p>
这里显示的
R
2
=
10K
Ω、
C
2
=
20
μ
F
为仪器事先的设定值(如要改写上述参数,可参阅附
录Ⅰ)
p>
。
注:
N<
/p>
、
L
、
n
、
S
、
R
1
、
R
2
、
C
2
、
H
与
B
值的倍数代号等参数可根据
不同要求进行改写,并
可通过
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:
H
B
按确认
键,将显示
U
HC
和
< br>U
BC
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。
U.
H
C
U.
B
C
-6-
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