铁磁材料磁化特性研究

铁磁材料分为硬磁与软磁两大类，其根本区别在于矫顽力Hc的大小不同。硬磁材料磁滞回线宽，剩磁和矫顽力大，因而磁化后，其磁感应强度可长久保持。软磁材料磁滞回线窄，矫顽力小，但磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁。磁滞回线与基本磁化曲线反映了磁性材料的主要特征，这也是设计电磁机构的重要依据之一。

【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和Bs等参数。

（4）测绘样品的磁滞回线。

【实验原理】

1. 磁化曲线与磁滞回线

铁磁材料从未被磁化到磁饱和的过程叫起始磁化。在磁性材料内部，磁场强度H与磁感应强度B有如下关系：BHμ=。对于铁磁材料，磁导率 并非常数，而是随着H的变化而变化的物理量。

如图3-33所示，当铁磁材料达到磁饱和时，减弱磁化场，B与H并不沿原来的Oa段退回，当磁化场消失，即 H=0 时，材料中剩余磁感应强度Br称为剩磁。

若使材料中的磁感应强度消失，必须再加上一个反向磁场，当反向磁场强度增加到Hc时，磁感应强度B为0，达到退磁，Hc为矫顽磁力，这是区别软磁和硬磁的重要参数。然后反向磁化，达到磁饱和，再加一个正向磁场，再退磁，继续增加磁化场回到磁饱和顶点，构成一个闭合回路曲线，叫磁滞回线。整个过程B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞，是由于剩磁导致的。对于不同的交变磁场强度，可以得到一簇磁滞回线，这些磁滞回线顶点的连线为该铁磁材料的基本磁化曲线。

图3-33　起始磁化曲线与磁滞回线

2.磁滞回线原理线路

图3-34所示为示波器测量磁滞回线实验线路原理。在环状铁磁试样上绕有N1匝的励磁线圈和N2匝的测量线圈。原线圈中通磁化电流I1，电流在试样内产生磁场，根据磁介质中的安培环路定理有

图3-34　B-H曲线原理线路

取电阻R1两端电压输入到示波器的X轴，励磁电流I1可以通过串联的R1两端的电压求出，电压值U1=XSx由示波器直接读出，其中Sx代表X轴灵敏度，单位为V/Div，X为曲线上某点的X方向的坐标值，单位为大格（Div）。

结合公式（3-27）得出试样中磁场强度为

上式表明，在交变磁场下，任一时刻电子束在X轴的偏转正比于磁场强度H。

为了测量材料中的磁感应强度B，在副线圈N2上串联一个电阻R2与电容C构成一个积分电路。

取电容两端电压输入到示波器的Y轴，回路中感应电流I2等于感应电动势ε2与回路的复阻抗之比，即

再根据法拉第电磁感应定律，回路中感应电动势ε2为

电容器电压值U2=YSy由示波器直接读出，其中Sy代表Y轴灵敏度。根据电容C、电荷量Q的定义可得

结合式（3-28）、式（3-29）及式（3-30）得

上式表明，在交变磁场下，任一时刻电子束在Y轴的偏转正比于磁场强度B。

【实验仪器】

DH4516N型磁滞回线实验仪、MOS-620CH型二踪示波器。

【实验内容】

1.观测两种样品在50 Hz、100 Hz交流信号下的磁滞回线图

（1）按图3-34所示接线。逆时针调节幅度调节旋钮，使输出信号最小，并将其调到显示屏中心。

（2）调节示波器为X-Y工作方式，使X输入为AC方式、Y输入为DC方式。

（3）缓慢单调增加磁化电流，选择合适的X、Y输入增益和电阻R1和R2，使磁滞回线上的B值达到饱和，并记录相应的格数。

（4）每次换样品或频率时，都要消磁，将电流幅值调零。

（5）以格数为坐标，分别调节和描绘50 Hz/100 Hz频率下样品1以及100 Hz频率下样品2的磁滞回线图，并进行横向与纵向比较。

（6）分别找出样品磁滞回线图中的Hc、Br对应的格数坐标，通过H与X、B与Y的关系计算出相应参数值。

2.测绘完整的磁化曲线

测样品2的磁化曲线，调整完样品2在电源频率100 Hz下的磁滞回线后，逐渐减小电流，在表中从后往前记录每簇磁滞回线顶点的坐标，最后在坐标纸上作-H曲线图。

【注意事项】

（1）连接线路时，要避免接触不良，要求地线连接统一。

（2）每次测量前应先对样品进行退磁处理，调节磁化电流时，要求做到单调变化，避免来回增大和减小电流。

（3）测绘磁滞回线时，要调节U和R值，用示波器观察到合适的磁滞回线时，再记录数据。

【数据处理】

在以下参考值的基础上调节R1、R2、Sx、Sy及电容C的值；R1=3Ω，R2=60 kΩ，C= 0.1 μF，Sx=0.1 V/Div、Sy=20 mV/Div。每一轮测量，都要重新记录R1、R2、Sx、Sy的值，电容C基本不变。将结果记入表3-26和表3-27中。

表3-26　磁滞回线（R1=______；R2=______；Sx=______；Sy=______）

续表

其中：

表3-27　磁化曲线（R1=_____R2=_____Sx=_____Sy=_____）

其中：样品1，平均磁路L=0.13 m，铁芯样品截面积S=1.24×10-4 m2。

样品2，平均磁路L=0.075 m，铁芯样品截面积S=1.2×10-4 m2，线圈匝数均为150 T。

【思考题】

软磁与硬磁材料的磁滞回线的区别是什么？