铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

实验目的：

1、认识铁磁物质的磁化规律。

2、测定样品的基本磁化曲线，作-H曲线。 3、测定样品的Hc、Br、Bm和[HmBm]等参数 4、测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

实验仪器：

示波器、磁滞回线实验箱，导线。

实验原理：

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（铁氧体）均 属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，

图一 故磁导率很高。另一特征是磁滞，即磁化场作用停

止后，铁磁质仍保留磁化状态(有剩磁)，图一为铁磁物

质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。 图一

图一中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=0，当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。图一表明，当磁场从Hs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，比较线段 OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞 后于H的变化，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是 当H=0时，B不为零，而保留剩磁Br。

当磁场反向从零逐渐变至-HD时，磁感应强度B消 失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽 力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段 RD称为退磁曲线。

图一还表明，当磁场按HSO-HD-HSOHDHS

次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS’R’ D’S变化，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材 料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回 线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此过程 中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放， 这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线 所围面积成正比。

图二 应该说明，当初始态为H=B=0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，如图二所示,这些

磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率B与H非线性，故铁磁材料的不是常数而是随H而变化（如图三所示）。铁磁材料的相对磁导率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。

BH，因

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，图四为常见的两种类型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长，矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机和交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。

图四 图三

图一

观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。

图五

待测样品为E1型矽钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁感应强度Ｂ而设置的绕组。Ｒ1为励

磁电流取样电阻，设通过Ｎ的交流励磁电流为I，

根据安培环路定律，样品的磁化场强

HNI L为样品的平均磁路 LIU1NHU1LR1R1

(1)

(1)式中的N、L、R1均为已知常数，所以由1可确定H。在交变磁场下，样品的磁感应强度．U．．．．．瞬时值B是测量绕组n和R2C2电路给定的，根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：

2n12dtn 1B2dtSnS (2)

ddt

S为样品的截面积

如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为：

2i2R2u2

式中i2为感生电流，U2为积分电容C2两端电压。设在t时间内，i2向电容C2的充电电量为Q，则

U2QC2

2i2R2QC2

如果选取足够大的R2和C2，使

i2R2QC2，则

2i2R2

i2dU2dQC2dtdt

dU22C2R2dt (3)

由（2）、（3）两式可得

C2R2U2nS (4)

上式中C2、R2、n和S均为已知常数，所以由U2可确定B。 B．．．．．．．

图六 综上所述，将图五中的U1和U2分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B-H曲线；如将测出的U1和U2代入（1）式和（4）式，则可计算出样品的饱和磁感应

强度Bs、剩磁Br、矫顽力HD、磁滞损耗[BH]以及磁导率等参数。

实验内容：

1、电路连接：选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路,实验仪的X端(即U1)输入到示波器的“CH1ORX”输入端，Ｙ端(即U2)输入到“CH2ORY” 输入端，插孔为公共端。并令

R1=2.5Ω，“U选择”置于0位。示波器的TIME/DIV旋钮要调到X-Y方式。

2、样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为0，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B=H=0，如图六所示。

3、观察磁滞回线：开启示波器电源，令光点位于坐标网格中心，令U=2.2V，并分别调节示波器x和y灵敏度，使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线（若图形顶部出现编织状的小环，如图七所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。

4、观察基本磁化曲线，按步骤2对样品1进行退磁，从U=0 开始，逐档提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个 套一个的一簇磁滞回线，在同一坐标纸上按比例把示波器显示的 这些磁滞回线画出来。这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本 磁化曲线。

5、把Ｒ１调到３Ω，Ｕ调至1.2V并保持不变，分别观察、比 较样品1和样品2的磁化性能（先观察样品１，观察样品２时， 把接到样品１的导线按样品１的接线方法移接到样品２即可），在 同一坐标纸中，按示波器实际显示的比例，描出样品1、样品2 的磁滞回线，比较两样品的磁滞回线所围的面积。请用文字说明 样品１、样品２中，哪个是硬磁性，哪个是软磁性；哪个的磁滞 损耗大，哪个的磁滞损耗小。

6、测绘曲线：令R1=2.5Ω，对样品1进行退磁后，

图七 依次测定U=0.5，1.0，，2.8V时的九组Hm和Bm(即图一中的

Hs和Bs的坐标，读数时要读出＋Ｈm和－Ｈm两点，取平均值作为

Ｈm的测量值，读＋Ｂm和－Bm两点，取平均值作为Bm的测量值)值。也就是从示波器上读出Hm , Bm对应的电压值, 分别填到下表的U1,U2中。然后利用下表中的公式，计算Ｈm，Bm.的值。

表一 Ｈm U(v) U1(V) Bm HNU1(A/m)LR1 U2(V) C2R2U2(T)nS B(H/m)H 0.5 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 7、令U=2.0V，R1=2.5Ω测定样品1的Bm 含饱和磁感应强度Hm 及Br （剩余磁感应强度）Hc（矫顽力）的大小。

数据处理：

1、已知：N=50，n=150，L=60mm，S=80mm，R1=2.5Ω，C2=20μF，R2=10KΩ和测得的U1、U2，分别代入（1）、（4）两式计算相应的H和B值，然后求出对应的值，并填入表一中。

依照表一数据分别用坐标纸作出基本磁化曲线B－Ｈ及H曲线（在同一图中画出）。

2

２、估算上面步骤５中曲线所围的面积的数值。说明两种样品材料各自的用途。

思考题：

1、用示波法测量磁参数时误差的主要来源是什么？

2、磁滞损耗是如何产生的？它与什么有关？如何减少磁滞损耗？涡流损耗又是如何产生的，如何减少涡流损耗？

3、如果测量前没有将材料退磁，会出现什么情况？

附录：

现在示波器的种类很多，仪器面板布置也各有不同，但是其使用操作还是大同小异的，我们只是对本实验用到的HITACHI V252 20MHz示波器的按键、旋钮、输入端的通用名称、功能和常用操作进行说明，其它不重要的部分不作说明。

输入端：双通道示波器有CH1和CH2两个待测信号输入端和一个外触发信号输入端（TRID IN）。待测信号通过探头和专用的连接线接入示波器。探头柄上有一个信号衰减开关。开关拨向“×1”时，信号不衰减输入；开关拨向“×10”时，信号就衰减至1/10后输入，这时，若信号垂直衰减旋钮置于5０mV/DIV挡，读数应该“×10”，即相当于500mV/DIV。 (1) 垂直衰减器旋钮：示波器两个通道各有一个输入信号多档衰减旋钮（VOLTS/DIV）。在垂直微调旋钮至校准（CAL）位置时，旋钮上的指示值就是显示屏上每1格对应的电压值，它相当于示波器的电压灵敏度。 (2) 垂直微调旋钮：两个垂直微调旋钮（VARIBLE）一般与垂直衰减旋钮同轴。它可以在小范围内连续调节电压灵敏度。与垂直衰减器配合使用，可以实现电压灵敏度的无级调节。在测量电压时，一般将此旋钮右旋至校准位置(顺时针右旋喀嚓响即可)。 (3) 垂直位置：两个通道的垂直位置旋钮（PISITION）可以调节各自通道电压等于零的水平基线的垂直位置。 (4) 垂直工作方式：它是一个多档旋钮（MODE）。选 CH1时仅显示通道1的信号；选择CH2时显示通道2的信号，选择ALT时，同时显示两通道信号。选ADD时，显示两通道电压的代数和。一些示波器显示双踪信号时，又有交替（ALT）方式和断续（CHOP）方式之分，前者适用于高频信号显示，后者适用于低频信号显示。 (5) 扫描时间旋钮及微调旋钮（TIME/DIV）：扫描时间旋钮可以分档选择每次扫描的时间，在时间微调旋钮（SWP VAR）旋至校准位置时，旋钮指示值（TIME/DIV）是屏上水平方向每格对应的时间。微调旋钮可以无级微调，测量时间时一般右旋至CAL位置。 (6) 水平位置：(有水平箭头的“POSITION”)调节波形在屏上水平方向的位置。 (7) 触发源（SOURCE）：有内触发（INT）、外触发（EXT）和电源触发（LINE）等不同选择。 (8) 触发电平（LEVEL）：通过触发电平的大小来调节触发同步。 (9) 触发方式（MODE）：有正常（NORMAL）、自动（AUTO）、TV-Ｖ和TV-H等选择。 (10) 藕合方式：一般有交流（AC）、直流（DC）和接地（GND）三种。交流藕合是通过电容器的藕合，只能让交流信号都能通过，测交流信号时使用。直流藕合是直接藕合，交、直流信号都能通过，主要在测直流信号时使用。选接地时，示波器显示一条水平直线，它是垂直方向信号零电平的位置。

(11) TIME/DIV旋钮的X-Y方式：选此项后，以CH1信号为x轴输入，CH2信号为y轴输入。在屏上显示X-Y信号。

(12) 校准信号输出端：提供一个峰-峰值为0.5V，（0.5V）频率为1KHZ的方波信号，用于示波器的校准。

此外亮度（INTENSITY）、聚焦（FOCUS）旋钮可以调节示波器光点的亮度和聚焦程度。