实验19铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 铁磁物质（铁、钻、钢、镍、铁镍合金等）的磁性有两个特点：其一是在外磁场作 用下能被强烈磁化，故磁导率μ很高，而且磁导率随磁化场强度变化：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。因而它的磁化规律很复杂。要具体了解某 种铁磁材料的磁性，就必须测出它的磁化曲线和磁滞回线。 实验目的和学习要求 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.测定样品的基本磁化曲线，作μ一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。 实验原理 1.起始磁化曲线、基本磁化曲线和磁滞回线 图191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增至时，B到达饱和值Bs,oas称为起始磁化曲线。图19-1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=O时，B不为零，而保留剩磁B。 当磁场反向从0逐渐变至-H时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加 反向磁场，H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19-I还表明，当磁场按Hs+O→HD*-Hs→O→HD·Hs次字变化，相应的越感应 强度B则沿闭合曲线SRDS'RDS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一去磁一反向磁化一反 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191铁磁质起始磁化曲线和磁滞 图19-2同一铁磁材料的一簇磁滞回线
实验 19 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 铁磁物质（铁、钴、钢、镍、铁镍合金等）的磁性有两个特点：其一是在外磁场作 用下能被强烈磁化，故磁导率μ很高，而且磁导率随磁化场强度变化；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。因而它的磁化规律很复杂。要具体了解某 种铁磁材料的磁性，就必须测出它的磁化曲线和磁滞回线。 实验目的和学习要求 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. 测定样品的基本磁化曲线，作μ－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。 实验原理 1．起始磁化曲线、基本磁化曲线和磁滞回线 图 19-1 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 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 19-1 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＝O 时，B 不为零，而保留剩磁 Br。 当磁场反向从 O 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 19-1 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 RDS 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 19-1 铁磁质起始磁化曲线和磁滞 回线 图 19-2 同一铁磁材料的一簇磁滞回线
应该说明，当初始态为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，要注意的是：反复磁化(s→Hs一 Hs)的开始几个循环内，每一个循环B和H不一定沿相同的路径进行，只有经过十几次反 复磁化（称为“磁锻炼”）以后，每次循环的回路才相同，形成一个稳定的磁滞回线。只 有经“磁锻炼”后所形成的磁滞回线，才能代表该材料的磁滞性质。 软阳 A 图193铁磁材料μ与H关系曲线 图194不同铁磁材料的磁滞回线 由于铁磁材料磁化过程的不可逆性具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时 首先必须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场H=0时，B=O:其次，磁化电流在实验 过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。 如图19-2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，由此可近似 确定其磁导率μ=B,因B与H非线性，故铁磁材料的口不是常数而是随H而变化（如 H 图193所示)。铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点使它用途广泛。 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194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、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。 2.测量磁滞回线和基木磁化曲 视察和测量磁带回线和基本磁化曲线的线路如图19-5所小示。 R2 SAMPLE 10 103 25 Y(E) 丁104 GND 05050505050505050505 UI 0 图19-5实验线路
应该说明，当初始态为 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，要注意的是：反复磁化（HS→-HS→ HS）的开始几个循环内，每一个循环 B 和 H 不一定沿相同的路径进行，只有经过十几次反 复磁化（称为“磁锻炼”）以后，每次循环的回路才相同，形成一个稳定的磁滞回线。只 有经“磁锻炼”后所形成的磁滞回线，才能代表该材料的磁滞性质。 图 19- 3 铁磁材料 µ与 H 关系曲线 图 19-4 不同铁磁材料的磁滞回线 由于铁磁材料磁化过程的不可逆性具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时， 首先必须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场 H＝0 时，B＝O；其次，磁化电流在实验 过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。 如图 19-2 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，由此可近似 确定其磁导率 H B μ = ，因 B 与 H 非线性，故铁磁材料的μ不是常数而是随 H 而变化（如 图 19-3 所示）。铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点使它用途广泛。 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 19-4 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、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。 2．测量磁滞回线和基本磁化曲线 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图 19-5 所示。 图 19-5 实验线路
待测样品为EI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 R为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为，根据安培环路定律，样品的磁化 场强 H=Ni L L为器约平约路：一受 ..H= R,U, N (19-1) (19-1)式中的N、L、R,均为己知常数，所以由U,可确定H。 在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组和R,C,电路给定的，根据 法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通中的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大 小为 = o-nfed (19-2) 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 82=i,R,+U2 式中1，为感生电流，U2为积分电容C2两端电压。设在△t时间内，2向电容C,的充 电电量为Q,则 U,=Q , e2=iR+Q C, 如果选取足够大的R和C,使，R,>9,则 C2 62=1,R i,=Q=C.dU: dt dt .E:CR:dt dU2 (19-3) 由(19-2)、(19-3)两式可得
待测样品为 EI 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 L Ni H = L 为样品的平均磁路 ∵ 1 1 R U i = 1 1 U LR N H = • （19-1） （19-1）式中的 N、L、 R1 均为已知常数，所以由 U1 可确定 H。 在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值 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φ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大 小为 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 2R2 U2 ε = i + 式中 2 i 为感生电流，U2 为积分电容 C2 两端电压。设在Δt 时间内，i2 向电容 C2 的充 电电量为 Q，则 2 2 C Q U = 2 2 2 2 C Q ε = i R + 如果选取足够大的 R2 和 C2，使 2R2 i >> C2 Q ，则 2 2R2 = i dt dU C dt dQ i 2 2 = = 2 dt dU ε C R 2 2 2 2 = (19-3) 由（19-2）、（19-3）两式可得 dt d n 2 = = dt n 2 1 = = dt S nS B 2 1 (19-2)
B=C,RzU, ns (194) 上式中C、R、n和S均为已知常数。所以由U可确定B 综上所述，将图19-5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一H曲线：如将U1和U2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度 Bs、剩磁R、矫顽力HD、磁滞损耗(BH)以及磁导率μ等参数。 仪器介绍 TH一MHC型智能磁滞回线测试仪分为实验仪和测试仪两大部分 1.实验仪 配合示波器，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、试样 电路板以及实验接线图等部分组成， 实验接线示意图如图19-6所示 B. 爱第夏昌 图196实验接线示意图 图197测试仪面板 2.侧试仪 图198所示为测试仪原理框图，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。 测试仪面板如图197所示。 测试仪的使用说明： (1)显示磁滞回线采样点H与B的值 测试仪上的按键可实现不同功能，每按一次功能键可显示各种事先设定参数，连续按 功能键当显示“Hb.test”时，按确认键后，仪器将显示“…”，稍后显示“H.b.Good” 表明采样成功，即可进入下一步操作。如显示“BAD”表明系统有误，应查明原因并修复 后，按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，重新进行数据采样。连续按两次功能键， 将显示：“HSHOW B.SHOW”每按二次确认键，将显示曲线上一点的H与B的值（第 一次显示采样点的序号，第二次显示出该点H和B之值)。 (2)显示磁滞回线的矫顽力Hc和剩磁Br、Hm与Bm、H与B的相位差，先按功能键 再按确认键，再由(4)确定H与B值的倍数代号，即可得到以上各量。 (3)如按数位和数据键即可达到改变仪器事先设定的各种参数的功能
2 S 2 2 U n C R B = （19-4） 上式中 C2、R2、n 和 S 均为已知常数。所以由 U2 可确定 B0 综上所述，将图 19-5 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 U1 和 U2 加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度 BS、剩磁 Rr、矫顽力 HD、磁滞损耗〔BH〕以及磁导率 µ等参数。 仪器介绍 TH－MHC 型智能磁滞回线测试仪分为实验仪和测试仪两大部分 1．实验仪 配合示波器，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、试样、 电路板以及实验接线图等部分组成。 实验接线示意图如图 19-6 所示 图 19- 6 实验接线示意图 图 19-7 测试仪面板 2．测试仪 图 19-8 所示为测试仪原理框图，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。 测试仪面板如图 19-7 所示。 测试仪的使用说明： （1）显示磁滞回线采样点 H 与 B 的值 测试仪上的按键可实现不同功能，每按一次功能键可显示各种事先设定参数，连续按 功能键当显示“H.b.test”时，按确认键后，仪器将显示“……”，稍后显示“H.b.Good”， 表明采样成功，即可进入下一步操作。如显示“BAD”表明系统有误，应查明原因并修复 后，按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，重新进行数据采样。连续按两次功能键， 将显示：“H.SHOW B.SHOW” 每按二次确认键，将显示曲线上一点的 H 与 B 的值（第 一次显示采样点的序号，第二次显示出该点 H 和 B 之值）。 （2）显示磁滞回线的矫顽力 HC和剩磁 Br、Hm 与 Bm、H 与 B 的相位差，先按功能键， 再按确认键，再由（4）确定 H 与 B 值的倍数代号，即可得到以上各量。 （3）如按数位和数据键即可达到改变仪器事先设定的各种参数的功能
(4)当连续按三次功能键即显示H与B值的倍数代号。参照下面给出值。显示点的顺 序，是依磁滞回线的第4、1、2和3象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样出错。 注意事项 1、如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、R、R、C2、H与B的倍数代号等参数， 则不必按确认键：如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。 2、按常规操作至（显示H与B的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失，必须 重新进行数据采样。 3、测试过程中如显示器显示“C0U”字符，表示应继续按动功能键。 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，并令R1=2.5Q,“U选 择”置于0位。U归和U2(即U1和U2)分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔1 为公共端。 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19-6所示。 B 图19-8退磁示意图 图19-9山和B的相位差等因素引起的 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轴的灵敏度，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19-8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。这些磁滞回线顶点的连 线就是样品的基本磁化曲线，借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。 5.观察、比较样品1和样品2的磁化性能。 6.测绘μ一H曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，接通实验仪和测试仪之间的连线， 开启电源，对样品进行退磁后，依次测定U=0.5,1.03.0V时的10组Hm和Bm值，作 μ~H曲线。 7.令U=3.0V,R1=2.5Q测定样品1的Bm,B,H.和[BH]等参数
（4）当连续按三次功能键即显示 H 与 B 值的倍数代号。参照下面给出值。显示点的顺 序，是依磁滞回线的第 4、1、2 和 3 象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样出错。 注意事项 1、如按仪器事先设定值输入 N、L、n、S、R1、R2、C2、H 与 B 的倍数代号等参数， 则不必按确认键；如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。 2、按常规操作至（显示 H 与 B 的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失，必须 重新进行数据采样。 3、测试过程中如显示器显示“COU”字符，表示应继续按动功能键。 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，并令 R1＝2.5Ω，“U 选 择”置于 O 位。UH 和 U2（即 U1 和 U2）分别接示波器的“X 输入”和“Y 输入”，插孔⊥ 为公共端。 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 O，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 19-6 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 轴的灵敏度，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 19-8 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。这些磁滞回线顶点的连 线就是样品的基本磁化曲线，借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。 5． 观察、比较样品 1 和样品 2 的磁化性能。 6． 测绘μ－H 曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，接通实验仪和测试仪之间的连线。 开启电源，对样品进行退磁后，依次测定 U＝0.5，1.0…3.0V 时的 10 组 Hm 和 Bm 值，作 μ～H 曲线。 7． 令 U＝3.0V，R1＝2.5Ω测定样品 1 的 B Hc B , m r 和［BH］等参数。 图 19-8 退磁示意图 图 19-9 U2和 B 的相位差等 因素引起的 畸变
8.取步骤7中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制B一H曲线（如何取数？取多少 组数据？自行考虑)，并估算曲线所围面积。 数据处理 表1基本磁化曲线与μ一H曲线 U(V) HmX104安/米 B。×102特斯拉 μ=BmHm享利/米 10 12 30 表2.B-H曲线HD B [BH]= NO HX10AmB×102T NO H10AmHX102 NOH×1AmB×I02 表3磁滞回线实验数据记录 U (V)UHC UaC Hc Hm Bm 相位差 0.5 25 2.8 3.0 思考题 1.怎样使样品完全退磁，即如何使其处在H0,B-0点上？ 2.什么是磁化过程的不可逆性？要得到正确的磁滞回线，最重要的应该注意什么问题？
8. 取步骤 7 中的 H 和其相应的 B 值，用坐标纸绘制 B－H 曲线（如何取数？取多少 组数据？自行考虑），并估算曲线所围面积。 数据处理 表 1 基本磁化曲线与 µ－H 曲线 U（V） Hm×104 安/米 Bm×102 特斯拉 µ＝Bm/Hm 享利/米 0.5 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 表 2.B-H 曲线 HD= Br= Bm= [BH]= NO H×104A/m B×102T NO H×104A/m H×102T NO H×104A/m B×102T 表 3 磁滞回线实验数据记录 U（V） UHC UBC Hc Br A Hm Bm 相位差 0.5 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 思考题 1． 怎样使样品完全退磁，即如何使其处在 H=0，B=0 点上？ 2． 什么是磁化过程的不可逆性？要得到正确的磁滞回线，最重要的应该注意什么问题？