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1实验九、铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线实验目的1、认识铁磁物质的磁化规律，比较两种典型的铁磁物质动态磁化特性2、测定样品的基本磁化曲线，作 μ-H 曲线3、计算样品的 Hc、B r、B m 和（H m·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、铁磁材料的磁滞现象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 0 表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即 B=H=0，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 0a 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 Hm 时，B 到达饱和值，0abs 称为起始磁化曲线，图 1 表明，当磁场从 Hm 逐渐减小至零，磁感应强度 B 并不沿起始磁化曲线恢复到“0”点，而是沿另一条新曲线 SR 下降，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，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当 H=0 时， B 不为零，而保留剩磁 Br。

图 1 铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线 图 2 同一铁磁材料的一簇磁滞回线当磁场反向从 0 逐渐变至-H C 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 C 称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态能力，线段 RD称为退磁曲线BH02图 1 还表明，当磁场按 Hm→0→H C→-H m→0→H C→H m 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应该说明，当初始态为 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，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=B/H，因 B 与 H 的关系成非线性，故铁磁材料 μ 的不是常数，而是随 H 而变化（如图 3 所示） 。

铁磁材料相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛主要原因之一图 3 铁磁材料与 H 的关系 图 4 不同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磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体2、用示波器观察和测量磁滞回线的实验原理和线路观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示待测样品 EI 型矽钢片， N1 为励磁绕组，N 2 为用来测量磁感应强度 B 而设置的绕组R 1 为励磁电流取样电阻，设通过 N1 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 为样品的平均磁路长度，其中 ，所以有式中 N1、L、R 1 的均为已知常数，所以由 UH 可确定 HiH1RLR1B H0 B(H)=BH B H0 硬 磁软 磁3在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值 B 是测量绕组和 R2C2 电路给定的，根据法拉第电磁感定律，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。

图五 实验原理线路如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为 ε 2=i2R2+UB式中 i2 为感生电流，U B 为积分电容 C2 两端电压设在 Δt 时间内，i 2 向电容的 C2充电电量为 Q，则如果选取足够大的 R2 和 C2 使 i2R2＞＞Q/C 2，则 ε 2=i2R2由（2） 、 （3）两式可得上式中 C2、R 2、N 2 和均 S 为已知常数所以由 UB 可确定 B综上所述，只要将图 5 中的 UH 和 UB 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，并可用示波器测出 UH 和 UB 值，进而根据公式计算出 B和 H；用该方法，还可求得饱和磁感应强度 BS、剩磁 Br、矫顽力 HC、磁滞损耗 WBH以及磁导率 μ 等参数实验内容2dtiB22N2X样 品UBUHFμF10K断0dtN21tSsB241、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 0 位U H 和 UB 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 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，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 7 所示，这时应该检查示波器的通道输入方式，其中 X通道应该打到交流输入，Y 通道应该打到直流输入，同时适当降低励磁电压 U 予以消除） 图 6 退磁示意图 图 7 调节不当引起的畸变现象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记录下这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线另外，如果借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹5、调节 U=3.0V，R 1=0.5Ω，测定样品 1 的一组 UB、U H 值，并根据已知条件：L= 75mm，S=120mm 2，N 1=150 匝，N 2=150 匝，C 2=20μF，R 2=10KΩ，计算出相应的 B和 H 的值6、根据得到的 B 和 H 的值作 B～H 曲线，根据曲线求得 Bm，B r、和 Hc 等参数。

并估算曲线的面积来求得 WBH7、测绘 μ～H 曲线：依次测定 U=0.5，1.0…3.5V 时的十组 UB、U H 值，计算出相应的 Hm、B m 和 μ 值，作 μ～H 曲线8、改变 R1 观测不同的磁化曲线9、观察、测量并比较样品 1 和样品 2 的磁化性能BHBH5实验十、微波布拉格衍射【实验目的】1、了解与学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性2、观测模拟晶体的微波布拉格衍射现象实验仪器】DHMS-1 型微波光学综合实验仪一套，包括：三厘米微波信号源、固态微波震荡器、衰减器、隔离器、发射喇叭、接收喇叭、检波器、检波信号数显器、可旋转载物平台和支架，以及实验用附件（晶体模型、读数机构等） 实验原理】微波的产生微波波长从 1m 到 0.1mm，其频率范围从 300MHz～3000GHz，是无线电波中波长最短的电磁波微波波长介于一般无线电波与光波之间，因此微波有似光性，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象由于微波的波长比光波的波长在量级上大 10000 倍左右，因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观本实验装置由微波三厘米固态信号电源、固态微波震荡器、衰减器、发射喇叭、载物平台、接收喇叭、检波器、液晶显示器等组成。

（选件：简单立方交替模型等）图 1 1 调谐杆 2 谐振腔 3 输出孔 4 体效应管 5 偏压引线 6 负载体效应振荡器经微波三厘米固态信号电源供电，使得体效应管内的载流子在半导体材料内运动，产生微波，经调谐杆调制到所要产生的频率产生的微波经过衰减器（可6以调节输出功率）由发射喇叭向空间发射（发射信号电矢量的偏振方向垂直于水平面）微波碰到载物台上的选件，将在空间上重新分布接收喇叭通过短波导管与放在谐振腔中的检波二极管连接，可以检测微波在 平面分布，检波二极管将微波转化为电信号，通过 A/D 转化，由液晶显示器显示模拟晶体的布拉格衍射实验布拉格衍射是用 X 射线研究微观晶体结构的一种方法因为 X 射线的波长与晶体的晶格常数同数量级，所以一般采用 X 射线研究微观晶体的结构而在此用微波模拟 X 射线，照射到放大的晶体模型上，产生的衍射现象与 X 射线对晶体的布拉格衍射现象与计算结果都基本相似所以通过此实验对加深理解微观晶体的布拉格衍射实验方法是十分直观的固体物质一般分晶体与非晶体两大类，晶体又分单晶与多晶组成晶体的原子或分子按一定规律在空间周期性排列，而多晶体是由许多单晶体的晶粒组成。

其中最简单的晶体结构如图 5 所示，在直角坐标中沿 X、Y、Z 三个方向，原子在空间依序重复排列，形成简单的立方点阵组成晶体的原子可以看作处在晶体的晶面上，而晶体的晶面有许多不同的取向如图 4 左方为最简立方点阵，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三种晶面这三种晶面分别为（100）面、 （110）面、 （111）面，圆括号中的三个数字称为晶面指数一般而言，晶面指数为 的晶面族，其相邻123n的两个晶面间距 d= 显然其中（100）面的间距 d 等于晶格常数2213n图 5 晶体结构模型7；相邻的两个（110）面的晶面间距 d= ；而相邻两个（111）面的晶面间2距 d= 实际上还有许许多多更复杂的取法形成其他取向的晶面族因微波的3波长可在几厘米，所以可用一些铝制的小球模拟微观原子，制作晶体模型具体方法是将金属小球用细线串联在空间有规律地排列，形成如同晶体的简单立方点阵各小球间距 d 设置为 4cm（与微波波长同数量级）左右当如同光波的微波入射到该模拟晶体结构的三维空间点阵时，因为每一个晶面相当于一个镜面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角，如图 5 所示而从间距为 d 的相邻两个晶面反射的两束波的程差为 ，其中 为入射波与晶面的夹角。

显然，只是当满足sin2d（5）,1,23时，出现干涉极大方程（5）称为晶体衍射的布拉格公式如果改用通常使用的入射角 表示，则（5）式为（6）2cos,d1,23【实验内容】1、微波源基本特性观测旋转调谐杆旋钮，改变频率，观察输入电流变化，了解固态微波信号源工作原理；改变接收喇叭短波导管处的负载与晶体检波器之间的距离，观察阻抗不匹配对输出功图 6 布拉格衍射8率的影响；也可改变频率，固定负载与晶体检波器之间的距离，观测频率的变化对输出功率的影响2．微波的反射将金属板平面安装在一支座上，安装时板平面法线应与支座圆座上指示线方向一致将该支座放置在载物台上时，支座圆座上指示线指示在载物小平台 位置0这意味着小平台零度方向即是金属反射板法线方向转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度读数就是入射角，然后转动活动臂在液晶显示器上找到一最大值，此时活动臂上的指针所指的小平台刻度就是发射角如果此时电表指示太大或太小，应调整衰减器、固态震荡器或晶体检波器，使表头指示接近满量程做此项实验，入射角最好取 30 度至 65 度之间，因为入射角太大接收喇叭有可能直接接收入射波，同时应注意系统的调整和周围环境的影响。

实验记录：入射角（度） 30 32 34 36 38 40   64反射角（度）3、布拉格衍射实验中两个喇叭口的安置同反射实验一样模拟具体球应用模片调得上下应成为一方形点阵，各金属球点阵间距相同。