鐵磁物質是一種效能特異、用途廣泛的材料。如航天、通訊、自動化儀表及控制等都無不用到鐵磁材料（鐵、鈷、鎳、鋼以及含鐵氧化物均屬鐵磁物質）。因此，研究鐵磁材料的磁化性質，不論在理論上，還是在實際應用上都有重大的意義。
本實驗使用微控制器採集資料，測量在交變磁場的作用下，兩個不同磁性能的鐵磁材料的磁化曲線和磁滯迴線。
【預習重點】
（１）看懂實驗原理圖及接線圖。
（２）複習示波器的使用方法。
參考書：《電磁學》下冊，趙凱華、陳熙謀著，第
五、六章；《大學物理學》電磁學部分，楊仲耆等編，第六章。
【儀器】
磁滯迴線實驗組合儀、雙蹤示波器。
【原理】
１）鐵磁材料的磁化及磁導率
鐵磁物質的磁化過程很複雜，這主要是由於它具有磁滯的特性。一般都是通過測量磁化場的磁場強度ｈ和磁感應強度ｂ之間的關係來研究其磁性規律的。
圖２０—１ 起始磁化曲線和磁滯迴線
圖２０—２ 基本磁化曲線
當鐵磁物質中不存在磁化場時，ｈ和ｂ均為零，即圖２０—１中ｂ～ｈ曲線的座標原點０。隨著磁化場ｈ的增加，ｂ也隨之增加，但兩者之間不是線性關係。當ｈ增加到一定值時，ｂ不再增加（或增加十分緩慢），這說明該物質的磁化已達到飽和狀態。
ｈm和ｂm分別為飽和時的磁場強度和磁感應強度（對應於圖中ａ點）。如果再使ｈ逐漸退到零，則與此同時ｂ也逐漸減少。然而ｈ和ｂ對應的曲線軌跡並不沿原曲線軌跡ａ０返回，而是沿另一曲線ａｂ下降到ｂr，這說明當ｈ下降為零時，鐵磁物質中仍保留一定的磁性，這種現象稱為磁滯，ｂr稱為剩磁。
將磁化場反向，再逐漸增加其強度，直到ｈ＝－ｈc，磁感應強度消失，這說明要消除剩磁，必須施加反向磁場ｈc。ｈc稱為矯頑力。它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態的能力。
圖２０—１表明，當磁場按ｈm→０→－ｈc→－ｈm→０→ｈc→ｈm次序變化時，ｂ所經歷的相應變化為ｂm→ｂr→０→－ｂm→－ｂr→０→ｂm。於是得到一條閉合的ｂ～ｈ曲線，稱為磁滯迴線。所以，當鐵磁材料處於交變磁場中時（如變壓器中的鐵心），它將沿磁滯迴線反覆被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。
在此過程中要消耗額外的能量，並以熱的形式從鐵磁材料中釋放，這種損耗稱為磁滯損耗。可以證明，磁滯損耗與磁滯迴線所圍面積成正比。
應該說明，對於初始態為ｈ＝０，ｂ＝０的鐵磁材料，在交變磁場強度由弱到強依次進行磁化的過程中，可以得到面積由小到大向外擴張的一簇磁滯迴線，如圖２０—２所示。這些磁滯迴線頂點的連線稱
圖２０—３ 鐵磁材料μ與ｈ關係曲線
為鐵磁材料的基本磁化曲線。由此可近似確定其磁導率μ＝ｂ/ｈ。因ｂ與ｈ非線性，故鐵磁材料的μ不是常數，而是隨ｈ而變化，如圖２０—３所示。
在實際應用中，常使用相對磁導率μr＝μ/μ0。μ0為真空中的磁導率，鐵磁材料的相對磁導率可高達數千乃至數萬，這一特點是它用途廣泛的主要原因之一。
２）ｂ～ｈ曲線的測量方法
實驗線路如圖２０—４所示。待測樣品為ｅ１型矽鋼片，勵磁線圈匝數ｎ1＝５０；用來測量磁感應強度ｂ而設定的探測線圈匝數ｎ2＝１５０；ｒ1為勵磁電流取樣電阻，ｒ１為設通過勵磁線圈的交流勵磁電流為ｉ１，根據安培環路定律，樣品的磁化場強
（２０—１）
式中：ｌ為樣品的平均磁路，本實驗ｌ＝６０.０ｍｍ。設ｒ１的端電壓為ｕ１，則可得
因此，（２０—２）
式（２０—２）中的ｎ１，ｌ，ｒ１均為已知常數，所以由ｕ１可確定ｈ。
圖２０—４ 磁滯迴線測量線路
樣品的磁感應強度ｂ的測量是通過探測線圈和ｒ2ｃ2組成的電路來實現的。根據法拉第電磁感應定律，在交變磁場下由於樣品中的磁通量φ的變化，在探測線圈中產生的感生電動勢的大小
（２０—３）
由式（２０—３）可推導出
（２０—４）
ｓ為樣品的截面積。
如果忽略自感電動勢和電路損耗，則迴路方程為
ｅ＝ｉ2ｒ2＋ｕ2
式中：ｉ2為感生電流；ｕ2為積分電容ｃ2兩端電壓。設在δｔ時間內，ｉ2向電容ｃ2的充電電量為ｑ，則
ｕ2＝ｑ/ｃ2
因此ｅ＝ｉ2ｒ2＋ｑ/ｃ2
如果選取足夠大的ｒ2和ｃ2，使ｉ2ｒ2>>ｑ/ｃ2，
則ｅ＝ｉ2ｒ2
所以（２０—５）
由式（２０—４）和式（２０—５）可得
（２０—６）
式中：ｃ2，ｒ2，ｎ2和ｓ均為已知常量（本實驗中ｃ2＝２０μｆ，ｒ2mm2），所以測量ｕ2可確定ｂ。
【實驗要求】
（１）電路連線：選樣品１，按實驗儀上所給的電路圖連線線路，並令選擇」置於０位。ｕh和ｕb（即ｕ１和ｕ2）分別接示波器的「ｘ輸入」和「ｙ輸入」，插孔⊥為公共端。
（２）樣品退磁：開啟實驗儀電源，對試樣進行退磁，即按順時針方向轉動「ｕ選擇」旋鈕，使ｕ從０ｖ增加至３ｖ，然後逆時針方向轉動旋扭使ｕ從最大值降為０ｖ，其目的是消除剩磁，即退磁過程，確保樣品處於磁中性狀態，即ｈ＝ｂ＝０，如圖２０—５所示。
圖２０—５ 退磁過程
（３）觀察磁滯迴線：開啟示波器電源，令光點位於座標網格中心，令ｕ＝２.２ｖ，分別調節示波器ｘ和ｙ軸的靈敏度，使顯示屏上出現圖形大小合適的磁滯迴線（若圖的頂部出現編織狀的小環，可適當降低勵磁電壓ｕ予以消除）。
（４）觀察基本磁化曲線：按實驗要求（２）對樣品進行退磁，從ｕ＝０開始，逐步提高勵磁電壓，將在顯示屏上得到面積由小到大乙個套乙個的一簇磁滯迴線，借助長餘輝示波器，可觀察到該曲線的軌跡。
（５）觀察比較樣品１和樣品２的磁化效能。
（６）測μ～ｈ曲線：仔細閱讀測試儀的使用說明，連線實驗儀和測試儀之間的連線。開啟電源，對樣品進行退磁後，按測試儀使用說明依次測定時的１０組ｈm和ｂm值，作μ～ｈ曲線。
（７）令測定樣品１的ｂm、ｂr，ｈc等引數。
（８）取實驗要求（７）中的ｈ和其相應的ｂ值，用座標紙繪製ｂ～ｈ曲線，實驗資料點數可取３２～４０點即每象限８～１０點。
【思考題】
（１）觀察樣品１和樣品２的磁滯迴線的不同，說明樣品１和２的磁性優劣？哪個樣品為軟磁材料，哪個樣品為硬磁材料？
（２）變壓器鐵心用矽鋼片疊合製成，為什麼要用磁性能好的軟磁材料製作？
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