磁滞回线实验报告

1〖实验三十〗用示波器观测动态磁滞回线〖目的要求〗1、学习使用示波器对动态磁滞回线进行观察和测量，了解磁感应强度和磁场强度的测量方法；2、学习应用RC积分电路；3、了解铁磁性材料的动态磁化特性。〖仪器用具〗动态磁滞回线测量仪（包括正弦波信号源、待测铁磁样品及绕组、积分电路所用的电阻和电容），双踪读出示波器，直流电源，数字多用表，滑线变阻器。〖实验原理〗1、铁磁材料的磁化特性把物体放在外磁场H中，物体就会被磁化，其内部产生磁场。设其内部磁化强度为M，磁感应强度为B，可以定义磁化率m和相对磁导率r表征物质被磁化的难易程度：0mrMHBH物质的磁性按磁化率m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5610~10的量级，且几乎不随温度变化；顺磁性物质的磁化率通常为2410~10之间，且随温度线性增大；而铁磁性物质的磁化率通常远大于1，且随温度增高而变小。除了磁导率高以外，铁磁材料还具有特殊的磁化规律。对一个处于磁中性状态（H=0且B=0）的铁磁材料加上由小变大的磁场H进行磁化时，磁感应强度B随H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H很小的时候，B随H变化可逆，见图中OA段，若减小H，B会沿AO2返回至原点；②不可逆磁化阶段，见图中AS段，若减小H，B不会沿SA返回（比如当磁场从D点的DH减小到DHH，再从DHH增大到DH，B-H轨迹会是图中点线所示的回线样式）；③饱和磁化阶段，见图中SC段，在S点材料已经被磁化至饱和状态，继续增大H，磁化强度M不再增大，由于0(MH)，B会随H线性增大，但增量极小。图中SH和SB表示M刚刚达到饱和值时的H和B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（图中S点）后再减小磁场H，那么磁感应强度B会随H减小而减小，但并不沿起始磁化曲线SAO减小，而会沿着SP这条更缓慢的曲线减小。当H减小至0时，B并不为零，此时的B值称为剩余磁感应强度rB。只有加上一个反向磁场H，B才变为0，H称为矫顽力CH。当反向磁场达到SH，铁磁材料达到反向饱和磁化状态'S。而若H从反向饱和值SH变到0，再增大至正向饱和值SH时，B会沿曲线'''SPQS返回至正向饱和值SB。曲线'''SPQS与'SPQS以原点O成中心对称，它们形成的闭合曲线'''SPQSPQS叫做饱和磁滞回线。饱和磁滞回线反映了磁化场由SH变到SH再变回到SH往复一用的变化过程中，B随H的往复变化情况。铁磁材料根据矫顽力大小分为矫顽力小的软磁材料(~1)CHAm和矫顽力大的硬磁材料46(~10~10)CHAm。软磁材料常用作各种电感的铁芯，硬磁材料常用作永磁体。由于铁磁材料加上磁场H后产生的B不仅与H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，使之达到磁中性化状态。一种较为简便易行的方法是交流退磁。具体做法是，对3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。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SH，这些动态磁滞回线的顶点(,)mmHB的连线称为动态磁化曲线（见图中虚线）。在这条线上任意一点的mB和对应mH的比值0mmmBH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。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，这个过程对应于起始磁化曲线起始的可逆阶段（图中OA段）。可以定义起始磁导率为00limiHBH，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，其磁化性能就主要由i来表征。42、动态磁滞回线的测量测量动态磁滞回线的原理电路如图所示。环型磁芯上绕有三组线圈，线圈1为交流励磁线圈，线圈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1R上的电压1Ru。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2u的时间积分，因此也正比于积分电容C上的电压的Cu。将1Ru和Cu从双踪示披器两通道输入，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，需要将线圄3接直流电源，用电表测量电流计算磁场强度，用滑线变阻器连成分压电路调控励磁电流；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。交流磁场强度H的测量原理。由安培环路定理，磁场强度H正比于励磁电流1i：11NHil其中1N是线圈1的匝数，l是磁环的等效磁路长度。由于111RuiR，因此H也与1Ru成正比111RNHulR交流磁感应强度B的测量原理。由法拉第电磁感应定律，线圈2上的感应电压2u来源于线圈2中全磁通的变化222NdNSdBudtdt5其中2N是线圈2的匝数，是单匝线圈中的磁通量，S是单匝线圈环绕的面积（对绕在磁芯上的线圈相当于磁芯横截面积）。如果2RCT（T是外磁场周期），那么电容C上的电压远小于总电压2u，电阻2R上的电压2Ru，近似等于总电压2u，电容C上的电压为：22222111CRQuidtudtudtCCRCRC其中Q是电容极板上的电荷量，2i是线圈2中的电流。所以交流磁感应强度B正比于Cu22CRCBuNS本实验中铁芯和线圈相关各参量分别为：样品l（环型铁氧体磁芯）：421230.130,1.2410,150lmSmNNN；样品2（EI型硅钢磁芯）：421230.075,1.2010,150lmSmNNN。〖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f=100Hz时的饱和磁滞回线。取122.0,50,10.0RRkCF。调节励磁电流大小及示波器的垂直、水平位移旋钮，在示披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B-H图。上下半支各选取9个以上测量点。测量SB，rB，CH。②在仪器频率可调范围内，观测不同频率时的饱和磁滞回线。保持1R，2RC不变，测量并比较f=50Hz和150Hz时的rB和CH。试估计由示波器的仪器误差和线宽导致的rB，CH的测量不确定度。③在频率f=50Hz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10.2,2.0mIAR，改变积分常量2RC。调节2RC分别为0.01s、0.05s、60.5s，观察并粗略画出不同积分常量下1RCuu李萨如图形的示意图。请思考：为什么积分常量会影响1RCuu李萨如图形的形状？积分常量是否会影响真实的B-H磁滞回线的形状？2、测量样品1（铁氧体）的动态磁化曲线（测量前需要先对样品进行退磁）①在f=100Hz时，调节出不同幅度的动态磁滞回线，测量并画出动态磁化曲线。取122.0,50,10.0RRkCF。磁场幅度mH从0到SH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mmH曲线。③测定起始磁导率i。3、观察不同频率下样品2（硅钢）的磁滞回线的变化规律在给定交变磁场幅度400mHAm下，观察不同频率下样品2（硅钢）的磁滞回线的变化规律，测量f=20Hz，40Hz，60Hz的SB，rB，CH〖数据记录与处理〗1、样品1（铁氧体）的饱和动态磁滞回线①f=100Hz时的饱和磁滞回线及SB，rB，CH对应电阻上电压(mV)值Bs(T)14.450.3884Br(T)3.470.0933Hc(A/m)22.2012.8077磁滞回线：u1(mV)u2(mV)H(A/m)B(T)0.003.450.00000.092713.005.007.50000.134464.0010.0036.92310.2688100.0012.0557.69230.32397137.0012.7579.03850.3427200.0013.65115.38460.3669300.0014.30173.07690.3844400.0014.60230.76920.3925-19.000.00-10.96150.0000-51.00-5.00-29.4231-0.1344-104.00-10.00-60.0000-0.2688-200.00-12.70-115.3846-0.3414-300.00-13.50-173.0769-0.3629-400.00-13.95-230.7692-0.3750②改变频率，估计线宽约为此时的测量精度（横0.05mV，纵0.02mV）f=50Hz：对应电阻上电压(mV)值Br(T)3.360.0903ΔBr(T)0.02/1.732+10*0.3/100+3.36*2/100=0.10870.0029Hc(A/m)21.5812.4471ΔHc(A/m)0.05/1.732+100*0.3/100+21.58*2/100=0.76050.4387f=150Hz：对应电阻上电压(mV)值Br(T)3.610.0970ΔBr(T)0.02/1.732+10*0.3/100+3.61*2/100=0.11370.0031Hc(A/m)22.8313.1683ΔHc(A/m)0.05/1.732+100*0.3/100+22.83*2/100=0.78550.45328③改变积分常量2RC2=0.5RCs：2=0.05RCs：92=0.01RCs：2、样品1（铁氧体）的动态磁化曲线①磁化曲线：iu1(mV)u2(mV)H(A/m)B(T)μr(T·m/A)110.000.825.76920.02203040.49220.001.8211.53850.04893374.20330.002.8517.30770.07663522.52440.004.0223.07690.10813726.45550.005.2028.84620.13983856.23660.006.2934.61540.16913887.13770.007.3840.38460.19843909.20880.008.3846.15380.22533884.04990.009.1051.92310.24463749.1110100.009.7857.69230.26293626.3411110.0010.4063.46150.27963505.6612120.0010.8869.23080.29253361.8413130.0011.3375.00000.30463231.5914140.0011.7080.76920.31453098.7515150.0012.0386.53850.32342973.7416160.0012.2392.30770.32882834.2317170.0012.4398.07690.33412711.1418180.0012.65103.84620.34012605.8419190.0012.80109.61540.34412497.961020200.0012.93115.38460.34762397.1621230.0013.30132.69230.35752144.1422250.0013.45144.23080.36161994.8623300.0013.75173.07690.36961699.4624400.0014.23230.76920.38251319.0925500.0014.45288.46150.38841071.59②mmH曲线：11③测定起始磁导率i根据图线的多项式拟合，起始磁导率i约为2783.75(T·m/A)3、不同频率下样品2（硅钢）的磁滞回线的变化规