科大奥瑞物理实验——动态磁滞回线的测量

实验名称：动态磁滞回线的测量

1. 实验目的：

a) 铁磁性物质的磁化过程及磁滞现象的理解；
b) 测量动态磁滞回线的原理和方法；
c) 实验过程中样品退磁的概念及操作方法。

2. 实验器材：

GY-4可调隔离变压器
示波器
螺绕环
交流电流表
电阻
电容C
标定电阻R0
标准互感器

3. 实验原理

1.铁磁材料的磁滞性质
铁磁材料除了具有高的磁导率外，另一重要的特点就是磁滞。当材料磁化时，磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且决定于磁化的历史情况，如图1所示。曲线OA表示铁磁材料从没有磁性开始磁化，磁感应强度B随H的增加而增加，称为磁化曲线。当H增加到某一值HS时，B几乎不再增加，说明磁化已达到饱和。材料磁化后，如使H减小，B将不沿原路返回，而是沿另一条曲线AC A’下降。当H从-Hs增加时，B将沿A’C’A曲线到达A，形成一闭合曲线称为磁滞回线，其中H=0时，|B|=Br, Br称为剩余磁感应强度。要使磁感应强度B为零，就必须加一反向磁场-Hc, Hc称为矫顽力。各种铁磁材料有不同的磁滞回线，主要区别在于矫顽力的大小，矫顽力大的称为硬磁材料，矫顽力小的称为软磁材料。
由于铁磁材料的磁滞特性，磁性材料所处的某一状态必然和它的历史有关。为了使样品的磁特性能重复出现，也就是指所测得的基本磁化曲线都是由原始状态（H=0,B=0）开始，在测量前必须进行退磁，以消除样品中的剩余磁性。

图1 B-H磁滞回线
2.示波器测量磁滞回线的原理
图2所示为示波器测动态磁滞回线的原理电路。将样品制成闭合的环形，然后均匀地绕以磁化线圈N1及副线圈N2，即所谓的螺绕环。交流电压u加在磁化线圈上，R1为取样电阻，其两端的电压u1加到示波器的x轴输入端上。副线圈N2与电阻R2和电容串联成一回路。电容C两端的电压u加到示波器的y输入端上。




由于N2、S、R2和C皆为常数，因此该式表明了示波器的荧光屏上竖直方向偏转的大小（uc ）与磁感强度（B）成正比。
由此可见，在磁化电流变化的一周期内，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将看到一稳定的磁滞回线图线。
（3） 测量标定
本实验不仅要求能用示波器显示出待测材料的动态磁滞回线，而且要能使用示波器定量
观察和分析磁滞回线。因此，在实验中还需确定示波器荧光屏上x轴（即H轴）的每一小格实际代表多少磁场强度，y轴（即B轴）的每一小格实际代表多少磁感应强度，这就是测量标定问题。



图4 x轴（H）轴标定线路图
值得注意的是，标定线路中应将被测样品去掉，而代之以一个纯电阻R0。这主要是因为被测样品是铁磁材料，它的B和H的关系是非线性的，从而使电路中的电流产生非正弦形畸变。R0起限流作用，标定操作中应使I0不超过R0允许的电流。
2） y轴（B轴）标定
y轴标定操作的目的是标定B，具体而言就是确定y轴（B轴）的每一小格实际代表多少磁感应强度。具体标定B的线路如图5所示。图中M是一个标准互感器。

图5 y轴（B轴）标定线路图
流经互感器原边的瞬时电流为i0，则互感器副边中的感应电动势E0为

4. 实验内容与步骤

1.    仪器的调节
   

（1）按图3所示线路接线，调节示波器，使光点调至荧光屏正中心。示波器的x轴增益置“50mV”档，y轴增益置“0.1V” 档，可适当调整x、y的增幅，使荧光屏上得到大小适中的磁滞回线。调节可调隔离变压器，从零开始逐步增大磁化电流，使磁滞回线上的B值能达到饱和。
（2）样品的退磁：缓慢调节调压器的输出电压，使励磁电流从最大值每次减小20mA左右，直至调为零，重新增大励磁电流使样品达到磁滞饱和，若磁滞回线闭合则样品被完全退磁，否则重复退磁操作，直至退磁完成。
（3）退磁完成后，重新调节可调隔离变压器电压为80V，使荧光屏上得到大小适中的磁滞回线，并记录饱和磁化电流I的大小。
2. 测量动态磁滞回线以及基本磁化曲线
（1） 将电源电压从0V逐渐调节到100V，以每小格为单位测若干组B、H的 坐标值。并记录电压为80V时饱和磁滞回线的顶点（A）、剩磁（Br）、矫顽力（Hc）三个点的读数。
（2）测量基本磁化曲线，将电源电压从0V逐渐调节到100.0V，每隔10V记录下当前电流值以及磁滞回线的顶点坐标值，并将各个磁滞回线的顶点进行连接即可得到基本磁化曲线。
（3）标定H，按图4接线，依次逐渐增大线路中的电流值分别为0.02mA、0.04 mA、0.06 mA、0.08mA、0.10 mA、0.12 mA，并记录下不同电流时示波器对应的格数，根据公式求出示波器单位每小格表示的磁场强度H0。
3. 标定B，按图5接线，依次逐渐增大线路中的电流值分别为0.05mA、0.10 mA、0.15 mA、0.20 mA、0.25 mA、0.30 mA，记录下不同电流时示波器对应的格数，并根据公式求出示波器单位每小格表示的磁感应强度B0。

5. 实验记录

6. 数据处理及误差分析

由表计算分析得：
初始相对磁导率为：1046.5
最大相对磁导率为：2015.48
标定横坐标H为：18.45每格
标定纵坐标B为：0.04每格




误差分析：
（1）仪器老化精度降低；
（2）实际电压与所标注理论电压不符；
（3）对铁磁材料的预先退磁不完全。
必须注意的是：反复磁化的开始几个循环内，每次循环的回路才相同，形成一个稳定的磁滞回线。只有经过“磁锻炼”后所形成的磁滞回线，才能代表该材料的磁滞性质。

7. 思考题及实验小结

1. 1的值为什么不能大？
   答：原理图中左边回路主要能量损耗是磁滞损耗，如果R1的值过大则会导致热损耗占了很大比例。

2.对应的是H还是B？请说明理由？
答：它对应的是B，因为感应电动势是由于B引起的。

3. 测量回线要使材料达到磁饱和，退磁也应从磁饱和开始，意义何在？
   答：便于形成一条闭合曲线。

小结：
通过实验我掌握铁磁材料磁滞回线的概念和用示波器测量动态磁滞回线的原理和方法，从而在理论和实际应用上加深对材料磁特性的认识。