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铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-02 12:59
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-

2021年2月2日发(作者:second)


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


.测定样品的


H


C



B


r



H< /p>


m



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


< p>
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

< p>
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,


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



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



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>



SR


可知,


H


减小


B


相应也减小,

< br>但


B


的变化滞后于


H

< p>
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-












1



铁磁 物质


B



H


的 关系曲线








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


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>



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

< p>
B



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




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

< p>


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



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,


这一特点是它用途广泛的主要原因之一。




-2-













3



铁磁材料


?



H


并系曲线









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

< p>
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。













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



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。







N



50




n



150




L


< p>
60mm




S



80mm


2




电路板上装有电源开关、样品


1

< p>
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


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



B


之值,


并能给出其剩磁、


矫顽力、


磁滞损耗等多种参数。


















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








L



60mm


。< /p>



S



待测样品横截面积












S



80mm


2< /p>




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




R


1




励磁电流


i


H


取样电阻,阻值


0.5


< p>
5


Ω。



R


2




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






3



智能磁滞回线测试仪面板图



2


)瞬时值


H



B


的计算公式


:



U


B


R


2


C< /p>


2


NU


H


B


=


H


=



















LR












nS


1






3


)测量准备







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


信号连线。



4


)测试仪按键功能







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。

< p>



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。




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

< p>
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



L









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



S




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




































































































N.


0


0


5


0


L.


0


6


0.


0


n.


0


1


5


0


S.

< p>
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



B


值的倍数代号



按功能键,将显示:
















































r


1.


2.


5


0


H.


3


B.


3




H




































B



















1


Ω



0.1


Ω



0.01


Ω

















H



B


值的倍数代号







这里显示的


R


1



2.5


Ω、


H



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,


可参阅附录Ⅰ)








注:


H



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>


/


































2











×


10


2



/















H


值倍数












3











×


10


3



/

































4











×


10


4< /p>



/

































5











×


10


5



/
































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








4


)电阻


R


2


、电容


C


2









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








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)








注:


N< /p>



L



n



S



R

< p>
1



R


2



C


2


H



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。

< p>



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


< 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。


< p>
U.


H


C


U.

< p>
B


C


-6-

-


-


-


-


-


-


-


-



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