实验14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。磁性材料在电力、通讯、电子仪器 汽车、计算机和信息存储等领域有者十分广泛的应用。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 铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，是反映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B一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。 【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.测定样品的基本磁化曲线，作4-H曲线。 3.测定样品的H。、B,、H和B等参数 4.测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。 【实验仪器】 T门H-MHC磁滞回线测量组合实验仪 【实验原理】 1,铁磁材料的磁滞特性 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）均屈铁磁物质。其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故 磁导率“很高。另一特征是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，磁 滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应品度B之间关系的特性。它的磁成应品 度不仅依赖于外磁场强度，而且还依赖于原先的磁化程度。图1为铁磁物质的磁感应 强度B与磁场强度H之间的关系曲线
1 实验 14 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。磁性材料在电力、通讯、电子仪器、 汽车、计算机和信息存储等领域有着十分广泛的应用。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。 铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，是反映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 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。 【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．测定样品的基本磁化曲线，作 H 曲线。 3．测定样品的 Hc 、 Br 、 Hm 和 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】 TH-MHC 磁滞回线测量组合实验仪 【实验原理】 1．铁磁材料的磁滞特性 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。其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故 磁导率 很高。另一特征是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，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。它的磁感应强 度不仅依赖于外磁场强度，而且还依赖于原先的磁化程度。图 1 为铁磁物质的磁感应 强度 B 与磁场强度 H 之间的关系曲线
图1铁磁物质B与的关系曲线图2铁磁材料的基本磁化曲线 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。表示磁化之前铁 磁物质处于磁中性状态，即B=H=0,当磁场强度H从零开始增加时，磁感应强度 B随之从零缓慢上升，如曲线0a所示，继之B随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,时，B达到饱和值B,OabS曲线称为起始磁化 曲线。如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B并不沿起始磁 化曲线减小，而是沿另一条新的曲线SR下降，对应的B值比原先的值大，说明铁秘 材料的磁化过程是不可逆的过程。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，说明要消除利磁，可以施 加反向磁场。当反向磁场强度等于某一定值H。时，磁感应强度B才等于0，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，曲线RD称为退磁曲线。 图1还表明，当磁场按H,→0一H。→-H,→0一H。→H,次序变化，相应的磁 感应强度B则沿闭合曲线SRDSRD'S变化，这条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→去磁一反 向磁化一反向去磁。在此过程中要耗费额外的能量，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。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。 初始状态为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。 基本化曲线上点与原点连线的斜率称为导率，由此可近似确定铁感材料的感 导= ，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,直接 表示材料磁化性能强弱。从磁化曲线上可以看出，因B与H非线性，铁磁材料的磁导 率山不是常数，而是随H而变化（如图3所示），铁磁材料的相对磁导率4，=B/B。可 高达数千乃至数万，这一特点是它用逸广泛的主要原因之一
2 图 1 铁磁物质 B 与 H 的关系曲线 图 2 铁磁材料的基本磁化曲线 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 0，当磁场强度 H 从零开始增加时，磁感应强度 B 随之从零缓慢上升，如曲线0a 所示，继之 B 随 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 Hs 时， B 达到饱和值 Bs ，0abS 曲线称为起始磁化 曲线。如果在达到饱和状态之后使磁场强度 H 减小，这时磁感应强度 B 并不沿起始磁 化曲线减小，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 0S 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，这种现象称为磁滞。磁滞的明显特征是当 H 0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 。 当磁场反向从0 逐渐变至 HD 时，磁感应强度 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 HD 时，磁感应强度 B 才等于 0，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，曲线 RD 称为退磁曲线。 图 1 还表明，当磁场按 Hs →0→ Hc → Hs →0→ 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，这条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。在此过程中要耗费额外的能量，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。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。 初始状态为 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 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 导率 ，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 ，直接 表示材料磁化性能强弱。从磁化曲线上可以看出，因 B 与 H 非线性，铁磁材料的磁导 率 不是常数，而是随 H 而变化(如图 3 所示)，铁磁材料的相对磁导率 0 0 B B 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。 H B μ
0 图3铁磁材料μ与H并系曲线 图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(<10m、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（◇10m),剩磁强， 磁滞回线所包用的面积肥大，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，可用来制造水磁体，应用于各种电表、扬声器、录音 机等. 2.示波器测绘磁滞回线原理 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1，根据安培环路定律 样品的磁场强度： H=NI ：L为样品的平均磁路 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图5所示。 R2 SAMPLE +0 25w3 02w -Q905w 0 0】 图5智能磁滞回线实验线路 _U 3
3 图 3 铁磁材料µ与 H 并系曲线 图 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(102 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，应用于各种电表、扬声器、录音 机等。 2．示波器测绘磁滞回线原理 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， 样品的磁场强度： ； L为样品的平均磁路 观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图 5 所示。 图 5 智能磁滞回线实验线路 L Ni H 1 1 U i R
H=LR N -.U 0 N、L、R,均为已知常数，磁场强度H与示波器X输入U,成正比，所以由U,可确 定H. 在交变磁场下，样品的磁感应强度解时值B是由测量绕组n和R,C,电路确定的。 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应电 动势的大小为 6=安 p山a=号Jsh 2) 式中S为样品的横截面积。 考虑到测量绕组n较小，如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为： e2=i,R2+U2 式中，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 量为Q,则 i6:=1R,+ C, 如果选取足够大的R和C,使得R，则上试可以近似政写为 6,=i,R, 6=C,R, (3) dt (4) 上式中C2、R、n和S均为已知常数。磁场强度B与示波器Y输入U2成正比，所以 由 U可确定B。 在交流磁化电流变化的一个周期内，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线， 并在以后每个周期都重复此过程，这样在示波器的荧光屏上可以看到稳定的磁滞回线
4 (1) N 、 L、R1 均为已知常数，磁场强度 H 与示波器 X 输入 U1成正比，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 是由测量绕组 n 和 R2C2 电路确定的。 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应电 动势的大小为 ( 2) 式中 S 为样品的横截面积。 考虑到测量绕组 n 较小，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 2i 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 如果选取足够大的 R2 和 C2，使得 2R2 i >> ，则上式可以近似改写为 2 2R2 i (3) 将（3）式两边对时间 t 积分，代入（2）式可得 (4) 上式中 C2、R2、n 和 S 均为已知常数。磁场强度 B 与示波器 Y 输入 U2 成正比，所以 由 U2 可确定 B。 在交流磁化电流变化的一个周期内，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线， 并在以后每个周期都重复此过程，这样在示波器的荧光屏上可以看到稳定的磁滞回线。 1 1 N H U LR dt n 2 1 dt S nS B 2 1 dt d n 2 2 2 C Q U 2 2 2 2 C Q ε i R C2 Q 2 2 2 dQ dU i C dt dt dt dU ε C R 2 2 2 2 2 S 2 2 U n C R B
综上所述，将图5中的U,和U,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U,和U,加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应 强度B、剩磁R,、矫顽力H。、磁滞损耗(BH)以及磁导率μ等参数。 【实验步骤】 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R=25Q,“J 选择”置于O位。U和U。(即U,和U2)分别接示波器的“X输入”和“Y输入” 插孔⊥为公共端。 BA 图6退磁示意图 图7U2和B的相位差等因素引起的畸变 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3Ψ，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6所示。 3,观察磁漫回线：开启示波器电源，调节示波器微调旋钮均置于“C” “AC-GND-DC”耦合开关均置于“DC”,接通示波器“X-Y”按钮，将光点位于荧光 屏坐标网格中心后，将 “AC-GND-DC”耦合开关恢复到“AC”位置。调实验仪“U调节”旋纽，使“U输 出”最大（顺时钟方向旋至底），令U=2.2V,并分别调节示波器x和y轴的灵敏度， 使荧光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7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，从了=0开始，逐档提高励磁 电压，将在荧光屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线。这些破滞回线项 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.取U,≈200mV，R=2.52,观察、比较样品1和样品2的磁化性能。 6.测绘4-H曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，连接实验仪和测试仪之间的 信号连线。开启电源，对样品进行退磁后，依次测定U=0.5,1.03.0V时的十组H 和Bn值，作4-H曲线
5 综上所述，将图 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 等参数。 【实验步骤】 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 1 R 2.5 ，“U 选择”置于O 位。UH 和UB （即U1 和U2 ）分别接示波器的“X 输入”和“Y 输入”， 插孔⊥为公共端。 图 6 退磁示意图 图 7 U2 和 B 的相位差等因素引起的畸变 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 6 所示。 3．观察磁滞回线：开启示波器电源，调节示波器微调旋钮均置于“cal ”， “AC-GND-DC”耦合开关均置于“DC”，接通示波器“X-Y”按钮，将光点位于荧光 屏坐标网格中心后，将 “AC-GND-DC”耦合开关恢复到“AC”位置。调实验仪“U 调节”旋钮，使“U 输 出”最大（顺时钟方向旋至底），令U V 2.2 ，并分别调节示波器 x 和 y 轴的灵敏度， 使荧光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 7 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，将在荧光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．取 1 U mV 200 ， 1 R 2.5 ，观察、比较样品 1 和样品 2 的磁化性能。 6．测绘 H 曲线：仔细阅读测试仪的使用说明，连接实验仪和测试仪之间的 信号连线。开启电源，对样品进行退磁后，依次测定U ＝0.5，1.0.3.0V 时的十组 Hm 和 Bm 值，作 H 曲线
7.令U=3.0r,R=2.5测定样品1的H。、B、H。、B和(BH等参数 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。 以上磁滞回线基本实验内容均可以由TH一MHC型智能磁滞回线实验组合仪完 成 【实验数据记录】 表一基本磁化曲线与山一H曲线 U(V)HX10'A/m BX10T H=B/H(H/m)U(V)HX10'A/m BX102T H=B/H(H/m) 0.5 20 1.0 22 12 25 15 2.8 1.8 3.0 表二B-H曲线H。= B H三 B= (BH)= NO HX10'A/m BX10T NO HX10'A/m BX10'T NO HXK10'A/m BX10T 【注意事项】 1,样品1和样品2为尺寸（平均磁路长度和截面积S)相同而磁性不同的两只E 型铁芯，两者的励磁绕组匝数N和磁感应强度B的测景绕组匝数n亦相同。其参数如 下：
6 7．令U V 3.0 ， 1 R 2.5 测定样品 1 的 Hc 、Br 、Hm 、Bm 和( ) BH 等参数。 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。 以上磁滞回线基本实验内容均可以由 TH－MHC 型智能磁滞回线实验组合仪完 成。 【实验数据记录】 表一 基本磁化曲线与 H 曲线 U(V) H×104 A/m B×102 T µ＝B/H(H/m) U(V) H×104 A/m B×102 T µ＝B/H(H/m) 0.5 2.0 1.0 2.2 1.2 2.5 1.5 2.8 1.8 3.0 表二 B H 曲线 _ Hc _ Br _ Hm _ Bm ( ) _ BH NO H×104 A/m B×102 T NO H×104 A/m B×102 T NO H×104 A/m B×102 T 【注意事项】 １．样品 1 和样品 2 为尺寸（平均磁路长度和截面积 S）相同而磁性不同的两只 EI 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。其参数如 下：
N=50,n=150,L=60mm,S=80mm2 2.“U调节”旋钮具有带锁装置，调节时应使其处于开锁状态，避免在其处于锁紧 态时旋动以至损坏。 3,本实验中，示波器始终处于“XY”工作模式，当无X、Y信号输入时，屏上 仅显示一亮点，应避免该亮点过亮及长时间停留在某一周定点，造成荧光屏荧光物过 热脱落而出现黑斑。 4,实验步骤5中，为了方便比较，应取两样品U1的大小相同，但电压频率可以 不同。 5实验步骤6中，用万用表测电压时，应同时用示波器监测磁滞回线，以保证U 较大时图形不出现畸变，但为得到较完整的磁化曲线，U又不宜太小。因此，为了取 得满意的实验效果，首先应取一个合适的信号电压U,可采用以下方法： 1)先使屏幕上显示出大小合适的磁滞回线图形： 2)使“U输入”及“U输出”最大，即调信号源幅值旋钮“AMPLETUDE”使“ 输入”为最大及调实验仪“U调节”旋钮使“U输出”为最大： 3)调信号源频率调节“FREQUENCY”旋钮，减小频率使图形出现扭曲，再增加频 率使图形扭曲现象刚好消失。 【思考题】 1.为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，如何消除？ 2.在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时，为什么要先退磁？如果不退磁对测绘结果 有什么影响？ 【实验仪器】
7 N 50， n 150 ， L mm 60 ， 2 S mm 80 ２．“U 调节”旋钮具有带锁装置，调节时应使其处于开锁状态，避免在其处于锁紧 态时旋动以至损坏。 ３．本实验中，示波器始终处于“X-Y”工作模式，当无 X、Y 信号输入时，屏上 仅显示一亮点，应避免该亮点过亮及长时间停留在某一固定点，造成荧光屏荧光物过 热脱落而出现黑斑。 ４．实验步骤 5 中，为了方便比较，应取两样品 U1 的大小相同，但电压频率可以 不同。 ５．实验步骤 6 中，用万用表测电压时，应同时用示波器监测磁滞回线，以保证 U 较大时图形不出现畸变，但为得到较完整的磁化曲线，U 又不宜太小。因此，为了取 得满意的实验效果，首先应取一个合适的信号电压 U，可采用以下方法： １) 先使屏幕上显示出大小合适的磁滞回线图形； ２) 使“U 输入”及“U 输出”最大，即调信号源幅值旋钮“AMPLETUDE”使“U 输入”为最大及调实验仪“U 调节”旋钮使“U 输出”为最大； 3) 调信号源频率调节“FREQUENCY”旋钮，减小频率使图形出现扭曲，再增加频 率使图形扭曲现象刚好消失。 【思考题】 1．为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，如何消除？ 2．在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时，为什么要先退磁？如果不退磁对测绘结果 有什么影响？ 【实验仪器】
图8THMHC实验装置压 图9 TH-MHC磁滞回线实验仪 元88 图10FG273A信号发生器 图1示被
8 图 8 TH-MHC 实验装置图 图 9 TH-MHC 磁滞回线实验仪 图 10 FG-273A 信号发生器 图 11 示波器