铁磁材料的静态磁化曲线测量目的学习用电子积分.docx

实验 铁磁材料的静态磁化曲线测量一、实验目的1. 学习用电子积分器测量磁感应强度2 .测量铁磁材料的初始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线3.学习使用计算机采集数据二、原理磁性材料因其具有像磁导率、磁滞等重要的特性而被广泛地应用于现代科学技术中，如: 磁存储技术、磁记录技术但是由于磁性材料的磁化过程很复杂，影响磁性材料磁化特性的 因素有很多，女U：掺杂、结构、温度等在多数场合无法用解析式来定量描述磁化特性曲线, 即H—B之间的关系，只能通过实验来测定它本实验是以铁磁材料中的铁浚氧为例，用计 算机测量其静态磁化特性曲线图 30- 1首先将待测的磁性材料做成闭合坏状，上面均匀地密绕两组线圈，做成一只螺绕环见 图30— 1 o给其中一组线圈通电流1,则圈中将产生强度为H的磁化场，这组线圈称为 初级线圈当初级线圈中的电流发生变化时，在另外一组线圈一一次级线圈中将产生感应电 动势，将次级线圈接在电子积分器上，可以测出磁感应强度E的变化1 .初始磁化曲线铁磁材料在磁化时具有以下共同的特点，将处在未磁化状态的铁磁材料（即H=0, B =0）加以磁化，在逐渐増加磁化场H的过程中，E也随之増加，开始B增加得比较缓慢, 然后经过一段急剧増加的过程后又缓慢下来，这时铁磁材料的磁化就达到了饱和。

如图30 —2所示从未磁化到饱和磁化的这段曲线，叫做初始磁化曲线图 30- 22. 磁滞回线铁磁材料还有一个重要的特性，那就是磁滞磁滞是指E的变化滞后于H的变化当铁磁材料的磁化达到饱和后，如果使H单调减小，这在实验中称为去磁，这时E将 不沿初始磁化时的路线返回，而是沿一条新的路径SR下降当H减为0时，铁磁材料的磁化状态并不随之消失，而要保留一些磁性氏，氏称为剩磁要使剩磁完全退尽，必须加一 个反方向的磁化场一Hc，—He称为矫顽力如果反方向的磁化场继续增人，铁磁材料将被 反向磁化直至饱和图 30- 3此后若使反方向的磁化场H逐渐减小直至为零，然后再沿正方向增加，E将沿S' R‘ U S 回到正向饱和磁化状态，这样一条关于原点对称的闭合曲线称为磁滞回线，见图30-3 o 一般说矫顽力He人的称为硕磁材料，He小的为软磁材料3. 基本磁化曲线如果铁磁材料未达到饱和状态就开始去磁，会出现较小的磁滞回线对应于每一个磁化 场H',为了得到一个对称而又稳定的磁滞回线，必须对样品进行反复磁化，在实验中就叫 做“磁锻炼”用此方法可以得到一系列的磁滞回线，把饱和磁滞回线的顶点与若干个不饱 和磁滞回线的顶点及原点O连起来，这条由各磁滞回线顶点组成的曲线称为基本磁化曲线。

如图30—4所示图 30- 4上述无论是初始磁化曲线、磁滞回线还是基本磁化曲线，都是关于铁磁材料内部H与B 之间对应关系的描述本实验将用电子积分器、计算机数据采集系统来描绘H —B关系曲线测量电路如图30-5所示图中A为螺绕坏，A的初、次级线圈匝数分别为M和M 为一互感器：R为取样电阻：图中由运算放人器组成的系统为电子积分器一）关于磁化场强度H的测量磁化场强度H可以这样表示：（1）式中Ni为初级线圈匝数，1为通过初级线圈的磁化电流，L为螺绕环的平均周长实 验中，H的变化是通过改变磁化电流来实现的这样就将磁化场强度H的测量转换成磁化 电流1的测量需要强调的是为了保证H是单调、往复的变化，磁化电流1也必须是单调、 往复、缓慢的改变由于计算机不能直接采集电流信号，需通过采样电阻R.,将电流1转换成与磁化场H 成正比的电压信号g，将4输入到计算机的X通道而H则按下式计算：LR°（二）用电子积分器测量磁感应强度B1. 电子积分器电子枳分器是一种实现积分运算的电路它能够对连续变化的电量进行累加，因此可以 用来测量随时间变化的磁场，其分辨率高，易实现测量自动化电子积分器由运算放人器和 R，C等元件组成。

如图30-6所示I图 30-6O作为理想的运算放人器，它的开环放人倍数（即不接负反馈）K“为8,但是它的输出 电压I】是一个有限值，最大也不会超过运算放人器的工作电压（约1 5V）,由此可知它的 输入电压ur很小，接近于0V这就意味着在运算放人器的输入端cd之间相当于短路， 又因为Cd端输入电阻R为无穷人，所以在Cd两端之间并无电流流过，即：i r = 0 , u/ = 0 ,故图（30—6）中a点被看作“虚地点”，根据基尔霍夫定律: i=ic+i‘ ，Uo+uc—uj = 0 ,将（3）式代入（4）式中，则有将上面两式合并，并考虑到i=u： / R以及积分器在0时刻可能有电压uc‘，所以RCUi(\t + Uc（5）式中的可以通过在测量开始之前对电容C放电，使uj =0,则（5）式简化 为Ujdt.由（6）式可见，积分器的输出电压u正比于输入电压口对时间的积分，从而实现了积分 运算6 ）式中负号表示输出电压与输入电压反相位2. 磁感应强度E的测量对照图（30—5）,测量时先将6合向a或b, S?合向1, S?闭合后再断开，S：；的作用 是给电容放电，使（5）式中的uj =0o通过调节恒流源E的电流调节旋钮，单调地改 变磁化电流「从而改变在螺绕坏初级线圈中产生的磁化场强度H,此时在螺绕坏次级线圈（7 ）式中，S是螺绕环的横截面积，$，即为（6 ）式中的ul,将（7 ）式代入到（6 ）式中，经枳分得到：RC（8 ）式中，B （ 0 ）为铁磁材料的剩磁，在正式测量之前应先退磁，使B （0） =0,这 样（8）式就简化为即由电子积分器输出的电压u。

正比于磁感应强度B对时间的积分送到计算机的y 通道，将ux送到计算机的x通道，实验时只要单调、往复且缓慢地改变磁化电流I,计算机就可以同步画出与H—B关系曲线相对应的g—ug的大小分别可以从计算机所 绘曲线上求得9 ）式中t = （R.+Rm+Ra） C, t为电子积分器的时间常数，其中Rm，Ra分别是 互感器与螺绕坏中的电阻，Rm与Ra均为不确定值，无法直接求t但是t可以由实验测出， 具体做法是：将9合向a或b, S?合向2, S：＜闭合后断开，调节流过互感器M上的电流1 的人小，将在互感M上产生电动势“―吩，上式中的*，即为（6 ）式中的ui，将於，代入到（6 ）式中积分可得：M u[由此得：_ M u；2* TT .Ro uo （10）实验中，只要调节恒流源E,使电流1从0逐渐增加到互感器的额定电流值，计算机将绘出 一条关于u‘一f x的直线，（10）式中的uf , u'均可从所绘直线上得到将（1 0 ）式代入到（9 ）式中，则磁感应强度E的大小即为：=_ NzSRou： （ii）三、实验仪器计算机数据采集系统一套，电子积分器、实验操作台、样品（Ni, N2及内、外半径，高 由实验室提供）四、实验内容和注徹事项1 .仔细阅读由实验室提供的“腾飞一号”电脑化x—y绘图仪的使用说明，了解“设 置区”、“操作控制区”及有关功能的使用方法。

打开Wmdows 98桌面图标中“CZx—y”文件，屏上将显示出“演示”、“数据测量”及 “数据处理”三个功能区，先应逐一了解每个功能区的作用3 •测屋初始磁化曲线（1） 螺绕环退磁在测量开始之前必须对被测材料退磁，本实验采用5 OHZ交流电退磁，退磁电路如图30 —7电路中T为自耦变压器：R为限流电阻；为交流安培表先将T调到某一电压值，此 时安培表中指示的电流约为螺绕环前一次充磁的最人电流然后逐渐减小T的输出电压直到 为零，至此退磁完毕2） 测绘曲线按图（30 — 5 ）接线，Si合向a或b, S?合向1 ,先闭合S：j再断开，用鼠标点击“记 录”栏，调节电流1由0单调地、缓慢地增人，此时计算机所绘曲线即为该铁磁材料的初始 磁化曲线曲线上点的坐标为（g，U需要强调的是必须单调地、缓慢地增加或减少电流，一旦电流调节失误，不得补测，必 须将被测材料再一次退磁后，重新测量4. 测量磁滞回线电路设置同3,将电流1调至额定值，利用换向开关3反复换向，对待测材料进行“磁 锻炼”，使其达到稳定磁化状态S3合上后再断开鼠标点击“记录”栏，计算机开始绘图, 先单向减小电流1直至为零，然后迅速将5从一侧合向另一侧，调节电流1从0逐渐增人到 额定值，再由额定值单调减小到零，此时计算机应绘出SRCS' R':最后再将3反向，调 节1从0逐渐增至额定值，画出最后R‘ C‘ S段。

调整坐标原点使之处于磁滞回线中点， 求出剩磁氏与矫顽力He5. 测量基本磁化曲线基本磁化曲线为人小不同的磁滞回线顶点的连线，其中每一个稳定的磁滞回线都是在各 自的电流下，通过Si反复换向，对被测样品进行磁锻炼后获得的因此基本磁化曲线不能 连续测量，需利用计算机中“暂停”与“记录”功能测各磁滞回线的顶点来完成测屋步骤 自拟6. 注意事项（1）调零：由于运算放人器会产生零点漂移，因此给测量带来很人的误差为了减小 漂移，在运算放人器的1、8两端之间加入调零电位器W.测量开始前，将仪器的输入端 短路，仔细地调节W,使输出端电压稳定在0V的时间越长越好在实验中还应随时观察 积分器是否发生零点漂移2 ）退磁：在给螺绕坏退磁时，因采用了 2 2 0 V交流电，因此务必在教师的指导卞 进行3） 关于互感器的额定电流：测量t时，一定要注意流过互感器的最人电流不得超过 它的额定电流，避免烧坏互感器五、思考题1 .测量初始磁化曲线时，为何没有出现H—B曲线的饱和区域？2 .如果螺绕坏上初级线圈Ni未均匀密绕，那么如何求n? （11为单位长度的线圈匝数）3. 为什么图30—7所示的电路能起到去磁作用？4 .根据从初始磁化曲线上求出的B和H,能否绘出磁导率U与H的关系曲线？（ U = dE/dHSE/ AH）。