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1、用示波器观测动态磁滞回线实验简介磁性材料应用广泛,从常用的永久磁铁、变压器的铁芯到录音、录像、计算机存储用的磁带、磁盘等都采用磁性材料.铁磁材料是最常见和最常用的磁性材料.它分为硬磁和软磁两大类,其根本区别在于矫顽力的大小不同.硬磁材料的剩磁和矫顽力大,因而磁化后,其磁感应强度可长久保持,适宜做永久磁铁.软磁材料的矫顽力小,但磁导率和饱和磁感应强度大,容易磁化和去磁,故广泛用于电机、变压器、电器和仪表制造等工业部门.磁滞回线和磁化曲线反映了铁磁材料的主要特征.本实验将采用动态法测量磁滞回线.实验目的1. 掌握利用示波器测量铁磁材料动态磁滞回线的方法；2.了解铁磁性材料的动态磁化特性；3.了解磁
2、滞、磁滞回线和磁化曲线的概念,加深对饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力等物理量的理解.实验仪器与用具磁特性综合测量实验仪包括正弦波信号源,待测样品与绕组,积分电路所用的电阻和电容.双踪示波器,直流电源,电感,数字多用表. 磁特性综合测量实验仪主要技术指标如下：1) 样品1：锰锌铁氧体,圆形罗兰环,磁滞损耗较小.平均磁路长度=0.130 m,铁芯实验样品截面积=1.2410-4 m2,线圈匝数：=150匝,=150匝；=150匝.2) 样品2：EI型硅钢片,磁滞损耗较大.平均磁路长度=0.075 m,铁芯实验样品截面积=1.2010-4 m2,线圈匝数：=150匝,=150匝；=150匝.3)
3、信号源的频率在20200 Hz间可调；可调标准电阻、均为无感交流电阻,的调节范围为0.111 ；的调节范围为1110 k.标准电容有0.1 F11 F可选.实验原理1铁磁材料的磁化特性把物体放在外磁场中,物体就会被磁化.其内部产生磁场.设其内部磁化强度为,磁感应强度为,可以定义磁化率和相对磁导率表示物质被磁化的难易程度：其中,是真空磁导率.由于,因此.物质的磁性按磁化率可以分为抗磁性、顺磁性和铁磁性三种.抗磁性物质的磁化率为负值,通常在的量级,且几乎不随温度变化；顺磁性物质的磁化率通常为之间,且随温度线性增大 ；而铁磁性物质的磁化率通常大于1,且随温度增高而变小.铁磁性材料主要是铁、钴、镍与他
4、们的合金和氧化物,以与稀土与过渡族元素组成的合金等.由于铁磁材料的磁导率很高,常被用作电感、电磁铁、变压器的铁芯材料,以增大线圈中的磁通量.除了磁导率高以外,铁磁材料还具有特殊的磁化规律.对于一个处于磁中性状态,且的铁磁材料加上由小变大的磁场进行磁化时,磁感应强度随的变化曲线称为起始磁化曲线,它大致分为三个阶段：1可逆磁化阶段,当很小时,随变化可逆,见图1中的OA段,若减小,会沿AO返回至原点；2不可逆磁化阶段,见图1中AS段,若减小,不会沿SA返回比如当磁场从D点的减小到,再从增大到,轨迹会是图中点线所示的回线样式；3饱和磁化阶段,见图1中SC段,在S点材料已经被磁化至饱和状态,继续增大,磁
5、化强度不再增大,由于,会随线形增大,但增量极小.图中和表示刚刚达到饱和值时的和的值,分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度.如果将铁磁材料磁化到饱和状态图1中S点后再减小磁场,那么磁感应强度会随减小而减小,但并不沿起始磁化曲线SAO减小,而是沿着SP这条更缓慢的曲线减小.当减小到0时,并不为0,称为矫顽力.当反向磁场达到,铁磁材料达到反向饱和磁化状态.而若从反向饱和值变到0,再增大至正向饱和值时,会沿曲线返回至正向饱和值.曲线与以原点O成中心对称,它们形成的闭合曲线叫做饱和磁滞回线.饱和磁滞回线反映了磁化场由变到再变回到往复一周的变化过程中,随的往复变化情况.图1 铁磁材料的起始磁化曲线和饱和磁
6、滞回线示意图由于铁磁材料加上磁场后产生的不仅与有关,也与磁化历史有关,所以在研究铁磁材料的起始磁化性质时,通常先对铁磁材料进行退磁处理,使之达到磁中性状态,一种较为简便易行的方法是交流退磁.具体做法是,对材料加交变磁化场,先用大幅度励磁电流使它饱和磁化,再在不断改变磁场方向的过程中逐渐减小励磁电流幅度至0使它退磁.如果磁场在任意,范围内作循环变化,那么也会做循环变化,形成一个闭合的磁滞回线.磁滞回线的面积对应于循环磁化一周所发生的能量损耗.对材料进行准静态磁化时,损耗来自于磁滞损耗.对材料进行交流动态磁化时,除了有磁滞损耗外,还会有涡流损耗和剩余损耗.一般由金属和合金所组成的金属磁性材料电阻率
7、低,在高频磁化时其涡流损耗大,而由金属氧化物组成的铁氧体磁性材料电阻率高,高频条件下其涡流损耗很小.动态磁滞回线形状与磁化场频率和幅度都有关.在同一频率下,交变磁场幅度不同时,动态磁滞回线也会不同.将磁场幅值从0增到,这些动态磁滞回线的顶点,的连线称为动态磁化曲线见图2.在这条线上任意一点的和对应的比值称为振幅磁导率.对于工作在幅度较大的交变磁场下的电感铁芯,比如变压器铁芯,振幅磁导率是衡量其性能的一个重要指标.图2 铁磁材料的动态磁滞回线和动态磁化曲线示意图当交流磁化场幅度很小时,铁磁材料的磁化过程是可逆的,磁滞回线退化成一条斜 线见图2中原点附近的小线段.对于没有直流偏置磁场的情况,这个过
8、程对应于起始磁化曲线起始的可逆阶段图1中的OA段,可以定义起始磁导率为,它表征了起始可逆磁化阶段的磁化性能.用于弱磁场中的材料,例如通讯器件上应用的软磁材料,其磁化性能主要由来表征.有的电感铁芯工作在既有直流偏置又有交流弱磁场的情况下,比如在图1中的D点附近以弱交变磁场循环磁化,当磁场足够弱时回线会退化成一条斜线,此时,交流弱磁场引起的磁感应强度变化与磁场强度变化值趋于0之比决定了电感性能,相关的磁导率称为可逆磁导率,定义为.直流偏置磁场可以影响的大小,这一原理被应用在磁放大器的设计中.2动态磁滞回线的测量测量动态磁滞回线的原理电路如图3所示.环形铁芯上绕有三组线圈,线圈1为交流励磁线圈,线圈
9、2为感应线圈,线圈3为直流励磁线圈.线圈1接交流正弦信号源,根据安培环路定理,磁场强度正比于线圈中的电流,因此也正比于电阻上的电压.线圈2接RC积分电路,磁感应强度正比于线圈2上感应电压的时间积分,因此也正比于积分电容C上的电压.将和从示波器两通道输入,在示波器X-Y显示模式下,就可以看到动态磁滞回线.测有直流偏置磁场下的可逆磁导率时,需要将线圈3接直流电源,用电表测量电流计算磁场强度,要能有效调节励磁电流；为了减小交流磁场在线圈3中产生的感应信号对直流稳定性的影响,需要在回路中串入一只大电感L.图3 用示波器测量动态磁滞回线电路图交流磁场强度的测量原理.由安培环路定理,磁场强度正比于励磁电流
10、：其中是线圈1的匝数,是磁环的等效磁路长度.由于,因此也与成正比 1交流磁感应强度的测量原理.由法拉第电磁感应定律,线圈2上的感应电压来源于线圈2中的全磁通的变化其中是线圈2的匝数,是单匝线圈中的磁通量,是单匝线圈环绕的面积对绕在磁芯上的线圈相当于磁芯的横截面积.如果是外磁场周期,那么电容上的电压远小于总电压,电阻上的电压近似等于总电压,电容上的电压为：其中是电容器极板上的电荷量,是线圈2中的电流.交流磁感应强度正比于 2实验内容1观测样品1铁氧体的饱和动态磁滞回线1测量频率=100 Hz时的饱和磁滞回线.取=2.0 ,=50 k,=10.0 F.示波器选择X-Y模式.调节励磁电流大小与示波器
11、的垂直、水平位移旋钮,在示波器显示屏上调出一个相对于坐标原点对称的饱和磁滞回线.测量并画出饱和磁滞回线的图.上下半支各选取9个以上的测量点.测量,.可通过示波器光标cursor来读数.2保持信号源幅度不变,在仪器频率可调范围内,观测不同频率时的饱和磁滞回线.用不同频率时,磁滞回线有何变化？为什么？保持,不变,测量并比较=95 Hz和150 Hz时的和.3在频率=50 Hz下,比较不同积分常量取值对李萨如图的影响.固定励磁电流幅度=0.1 A,=2.0 ,改变积分常量.调节分别为0.01 s、0.05 s、0.5 s,观察并粗略画出不同积分常量下李萨如图形的示意图.请思考为什么积分常量会影响李萨
12、如图形的形状？积分常量是否会影响真实的磁滞回线的形状？2测量样品1铁氧体的动态磁滞回线.测量前需要对样品进行退磁.1在=100 Hz时,调出不同幅度的动态磁滞回线,测量并画出动态磁化曲线.取=2.0 ,=50 k,=10.0 F.磁场幅度从0到单调增加,要求至少20个测量点.2根据测量数据计算并画出曲线.3测定起始磁导率.3观察不同频率下样品2硅钢的动态磁滞回线.取=2.0 ,=50 k,=10.0 F.在给定交变磁场幅度=400 A/m下,测量=20 Hz,40 Hz,60 Hz的,.*4测量样品1铁氧体在不同直流偏置磁场下的可逆磁导率.测量前需要先对样品进行退磁.交流磁场频率取=100 Hz.电路参数设置为：=2.0 ,=20 k,=2.0 F.直流偏置磁场必须从0到单调增加.测量时,为保证精度,需调交流信号源幅度使交流磁场足够小,并调节示波器,使李萨如图充分放大,以观测磁化是否可逆.画出曲线至少10个点.思考题1. 铁磁材料的动态磁滞回线与静态磁滞回线在概念上有什么区别？铁磁材料动态磁滞回线的形状和面积受那些因素影响？2. 铁氧体和硅钢材料的动态磁化特性各有什么特点？3. 本实验中,电路参量应怎样设置才能保证所形成的李萨如图形正确反映材料动态磁滞回线的形状？参考文献1 吕斯骅,段家忯,张朝晖.新编基础物理实验第二版,：高等教育,2013.
