软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线　　铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线　　---　　摘要：铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料其特征是在外磁场作用下能被强烈　　磁化，故磁导率μ很高另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态研究铁磁材料的特性有着重要的意义，它在传统工业、生物医学中磁应用、军事领域以及考古天文地址采矿界领域都有着广泛的应用研究铁磁材料重要的方法是测量和分析磁滞回线和基本磁化曲线本文是我在做大学物理基础实验——测定铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线时的总结和心得体会　　关键词：铁磁材料；磁滞回线；基本磁化曲线　　1引言　　铁磁材料除了具有高的磁导率外，另一重要的磁性特点就是磁滞设铁磁性材料已沿起始磁化曲线磁化到饱和，磁化开始饱和时的磁感应强度值用表示如果在达到饱和状态之后使H减小，这时B的值也要减小，但不沿原来的曲线下降，而是沿着上一条曲线段下降，对应的值比原先的值大，说明铁磁质磁化过程是不可逆的过程当H=0时,B不为零，而是大于零，称为剩余磁感应强度通过剩余极化强度可以判断材料是硬磁材料还是软磁材料，还有磁化能力等。

　　2理论　　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均属铁磁物质其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率μ很高另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态，图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?R?D?S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，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3铁磁材料μ与H　　并系曲　　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，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，由此可近似确定其磁导率μ?，因B与H非线性，故　　H　　铁磁材料的μ不是常数而是随H而变化铁磁材料的相对磁导率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　　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、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，　　图4不同铁磁材料的磁滞回线　　可用来制造永磁体　　3以下是当时的实验数据处理　　电容C(μF)：20电阻R1(Ω)：电阻R2(kΩ)：10截面S(mm2)：120励磁绕组N1(砸)：150测量绕组N2(砸)：150平均磁路L(mm)：75表一基本磁化曲线与μ－H曲线　　[3]　　表二.磁滞回线　　实验26铁磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的测量　　铁磁性材料分为硬磁材料和软磁材料。

软磁材料的矫顽力小于100A/m，常用于电机、电力变压器的铁芯和电子仪器中各种频率小型变压器的铁芯铁磁材料的磁化过程和退磁过程中磁感应强度和磁场强度是非线性变化的，磁滞回线和基本磁化曲线是反映软磁材料磁性的重要特性曲线矫顽力、饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、初始磁导率、最大磁导率、磁滞损耗等参数均可以从磁滞回线和基本磁化曲线上获得，这些参数是磁性材料研制、生产和应用的总要依据采用直流励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为静态磁滞回线；采用交变励磁电流产生磁化场对材料样品反复磁化测出的磁滞回线称为动态磁滞回线本实验利用交变励磁电流产生磁场对不同性能的铁磁材料进行磁化，测绘基本磁化曲线和动态磁滞回线　　【实验目的】　　①了解用示波器显示和观察动态磁滞回线的原理和方法　　②掌握测绘铁磁材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的原理和方法，加深对铁磁材料磁化规律的理解　　③学会根据磁滞回线确定矫顽力、剩余磁感应强度、饱和磁感应强度、磁滞损耗等磁化参数　　【实验仪器与用具】　　FB310型动态磁滞回线实验仪，双踪示波器，导线　　【实验原理】　　1．磁性材料的磁化特性及磁滞回线　　研究磁性材料的磁化规律时，一般是通过测量磁化场的磁场强度H与磁感应强度B之间的关系来进行的。

铁磁性材料磁化时，它的磁感应强度B要随磁场强度H变化而变化但是B与H之间的函数关系是非常复杂的主要特点如下：　　当磁性材料从未磁化状态开始磁化时，B随H的增加而非线性增加由此画出的B?H曲线称为起始磁化曲线，如图段曲线起始磁化曲线大致分为三个阶段，第一阶段曲线平缓，第二阶段曲线较陡，第三阶段曲线又趋于平缓最后当H增大到一定值Hm后，B增加十分缓慢或基本不再增加，这时磁化达到饱和状态，称为磁饱和达到磁饱和时的Hm和Bs分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度，对应图中的a点　　图起始磁化曲线和磁滞回线　　磁化过程中材料内部发生的过程是不可逆的，当磁场由饱和时的Hm减小至0时，　　B也随之减小，但并不沿原来的磁化曲线返回，而是滞后于H沿另一曲线ab减小当H逐　　步减小至0时，B不为0，而是Br，说明铁磁材料中仍然保留一定的磁性，这种现象称为磁滞效应，此时的Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁要消除剩磁，必须加一反向的磁场，直到反向磁场强度H??Hc，B才恢复为0，Hc称为矫顽力，对应于图中c点　　继续增加反向磁场至?Hm，曲线达到反向饱和a'点，磁感应强度变为?Bs再正向增大由?Hm变至Hm，曲线又沿着a'经b'、c'又回到a点。

形成一条闭合B?H曲线，称为磁滞回线　　如果初始磁化磁场由0开始增加至一小于Hm的值H1，然后磁场在?H1与H1之间变化未磁化状态的铁磁性材料，在交变磁化场作用下，也可以得到一条磁滞回线但是这条磁滞回线是不饱和的磁场由弱到强依次进行磁化的过程中，可以得到面积由小到大的一簇磁滞回线，如图所示，将这些磁滞回线的顶点连起来，就得到基本磁化曲线，如图中Oe所示，它与起始磁化曲线是不同的　　磁导率u?B/H由基本磁化曲线可以近似确定铁磁材料的磁导率，从基本磁化曲线上一点到原点O连线的斜率定义为该磁化状态下的磁导率由于磁化曲线不是线性的，当H由0开始增加时，u也逐步增加，然后达到一最大值当H再增加时，由于磁感应强度达到饱和，u开始急剧减小u随H的变化曲线如图所示磁导率u非常高是铁磁材料的主要特性，也是铁磁材料用途广泛的主要原因之一　　μ　　图磁滞回线和基本磁化曲线图磁导率曲线　　当铁磁材料沿着磁滞回线经历磁化→去磁→反向磁化→反向去磁的循环过程中，由于磁滞效应，要消耗额外的能量，并且以热量的形式耗散掉这部分因磁滞效应而消耗的能量，叫做磁滞损耗材料磁化，磁感应强度变化dB时，磁场对单位体积磁性材料做功为　　HdB，磁场变化一个周期，磁场做功为W?HdB，所以一个循环过程中的磁滞损耗正比　　于磁滞回线所围的面积。

　　磁滞损耗在交流电路中磁滞损耗是十分有害的，必须尽量减小要减小磁滞损耗就应选择磁滞回线狭长、包围面积小的铁磁材料如图所示，工程上把磁滞回线细而窄、矫顽力很小的铁磁材料称为软磁材料；把磁滞回线宽、矫顽力大的铁磁材料称为硬磁材料　　图软磁材料和硬磁材料　　磁滞回线和各种磁化曲线都与交流磁场的频率有关在进行动态测量，初级线圈需要通过交流点，对于工作在50Hz工频的硅钢片，可以用变压器将220V市电降压后使用，对其他频率的测量，可以用专用电源或带有功率输出的信号发生器作为励磁电源2．动态磁滞回线的测量原理　　在各种电器的铁芯中软磁材料大多形成闭合磁路，所以采用闭合样品进行测量与实际应用场合复合最好，如图所示，在环形样品上绕N1匝初级线圈和N2匝次级线圈R1为测量励磁电流的取样电阻，R2、C组成测量磁感应强度B的积分电路磁场强度H的测量　　当初级线圈里通过励磁电流I1时，就在磁环中产生磁场，根据安培环路定理其磁场强度　　H可表示为　　H?　　N1I1N1　　?U1llR1　　式中l为被测样品的平均周长，R1是与初级线圈串联的电阻，U1表示R1两端的　　电压由式可知，已知的N1、l、R1，只要测出U1，即可确定H的大小。

　　图动态磁滞回线测量电路原理图　　磁感应强度B的测量　　由于样品被磁化后产生变化的磁通量?，根据法拉第电磁感应(转载于:写论文网:软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线)定律，在匝数为N2的次级线圈中产生的感生电动势的大小为　　??　　d?d?dB　　??N2??N2Sdtdtdt　　式中S为环状样品的截面积，于是次级线圈中产生的磁感应强度的大小为　　B?　　1　　?dtN2S?　　由式可知，只有对次级线圈中的感生电动势?积分才能得到B值，而R2和　　C组成的积分电路可以实现对?的积分　　忽略自感电动势和电路损耗，次级线圈组成的回路方程为　　??I2R2?U2　　式中I2是感生电流，U2为积分电容C两端的电压设在?t时间内，I2向电容C充电电量为Q，则U2?Q/C，所以有　　??I2R2?　　Q　　C　　Q　　，则有C　　如果选取足够大的C和R2，使I2R2??　　??i2R2　　又因为i2?dQ/dt?CdU2/dt，所以　　??CR2　　dU2　　dt　　将式代入中，并且只考虑数值而不考虑符号，可得　　B?　　CR2　　U2N2S　　由式可知，已知N2、R2、C和S后，只要测量U2，即可确定B的大小。

　　示波器的电压定标　　综上所述，测量B和H可以通过间接测量U2和U1得到，将U1和U2分别输入示波器的X输入和Y输入端，即U1接CH1通道，U2接CH2通道，就可以在示波器上看　　到磁滞回线U1和U2的电压值与示波器荧光屏上电子束水平偏转和垂直偏转的大小成正　　比设X输入的灵敏度为SX伏/格，Y输入的灵敏度为SY伏/格，则有　　H?　　RCN1　　(SXX)，B?2(SYY)lR1N2S　　X、Y为电子束在X,Y方向测量的坐标值　　3．FB310型磁滞回线实验仪简介　　本实验采用FB310型磁滞回线实验仪进行测量，仪器实物及面板图如图所示该实验仪由测试样品、功率信号源、可调标准电阻、标准电容和接口电路等组成测试样品有两种，一种是磁滞损耗较小的软磁材料；另一种是滞损耗较大的硬磁材料信号源的频率在20～200Hz间可调，磁化电流采样电阻R1在～11Ω范围内可调节，积分电阻R2在1～110kΩ范围内可调节，积分电容C的可调。