實驗26 鐵磁材料磁滯迴線和基本磁化曲線的測量
鐵磁性材料分為硬磁材料和軟磁材料。軟磁材料的矯頑力小於100a/m，常用於電機、電力變壓器的鐵芯和電子儀器中各種頻率小型變壓器的鐵芯。鐵磁材料的磁化過程和退磁過程中磁感應強度和磁場強度是非線性變化的，磁滯迴線和基本磁化曲線是反映軟磁材料磁性的重要特性曲線。
矯頑力、飽和磁感應強度、剩餘磁感應強度、初始磁導率、最大磁導率、磁滯損耗等引數均可以從磁滯迴線和基本磁化曲線上獲得，這些引數是磁性材料研製、生產和應用的總要依據。採用直流勵磁電流產生磁化場對材料樣品反覆磁化測出的磁滯迴線稱為靜態磁滯迴線；採用交變勵磁電流產生磁化場對材料樣品反覆磁化測出的磁滯迴線稱為動態磁滯迴線。本實驗利用交變勵磁電流產生磁場對不同效能的鐵磁材料進行磁化，測繪基本磁化曲線和動態磁滯迴線。
【實驗目的】
①了解用示波器顯示和觀察動態磁滯迴線的原理和方法。
②掌握測繪鐵磁材料動態磁滯迴線和基本磁化曲線的原理和方法，加深對鐵磁材料磁化規律的理解。
③學會根據磁滯迴線確定矯頑力 、剩餘磁感應強度 、飽和磁感應強度 、磁滯損耗等磁化引數。
【實驗儀器與用具】
fb310型動態磁滯迴線實驗儀，雙蹤示波器，導線。
【實驗原理】
1．磁性材料的磁化特性及磁滯迴線
研究磁性材料的磁化規律時，一般是通過測量磁化場的磁場強度與磁感應強度之間的關係來進行的。鐵磁性材料磁化時，它的磁感應強度要隨磁場強度變化而變化。但是與之間的函式關係是非常複雜的。
主要特點如下：
（1）當磁性材料從未磁化狀態（=0且=0）開始磁化時，隨的增加而非線性增加由此畫出的曲線稱為起始磁化曲線，如圖3.26.1（o-a）段曲線。
起始磁化曲線大致分為三個階段，第一階段曲線平緩，第二階段曲線較陡，第三階段曲線又趨於平緩。最後當增大到一定值後，增加十分緩慢或基本不再增加，這時磁化達到飽和狀態，稱為磁飽和。達到磁飽和時的和分別稱為飽和磁場強度和飽和磁感應強度，對應圖3.
26.1中的點。
圖3.26.1 起始磁化曲線和磁滯迴線
（2）磁化過程中材料內部發生的過程是不可逆的，當磁場由飽和時的減小至0時，也隨之減小，但並不沿原來的磁化曲線返回，而是滯後於沿另一曲線減小。當逐步減小至0時，不為0，而是，說明鐵磁材料中仍然保留一定的磁性，這種現象稱為磁滯效應，此時的br稱為剩餘磁感應強度，簡稱剩磁。要消除剩磁，必須加一反向的磁場，直到反向磁場強度，才恢復為0，稱為矯頑力，對應於圖3.
26.1中點。
繼續增加反向磁場至，曲線達到反向飽和點，磁感應強度變為。再正向增大由變至，曲線又沿著經、又回到點。形成一條閉合曲線，稱為磁滯迴線。
（3）如果初始磁化磁場由0開始增加至一小於的值，然後磁場在與之間變化未磁化狀態的鐵磁性材料，在交變磁化場作用下，也可以得到一條磁滯迴線。但是這條磁滯迴線是不飽和的。磁場由弱到強依次進行磁化的過程中，可以得到面積由小到大的一簇磁滯迴線，如圖3.
26.2所示，將這些磁滯迴線的頂點連起來，就得到基本磁化曲線，如圖3.26.
2中所示，它與起始磁化曲線是不同的。
磁導率。由基本磁化曲線可以近似確定鐵磁材料的磁導率，從基本磁化曲線上一點到原點o連線的斜率定義為該磁化狀態下的磁導率。由於磁化曲線不是線性的，當由0開始增加時，也逐步增加，然後達到一最大值。
當再增加時，由於磁感應強度達到飽和，開始急劇減小。隨的變化曲線如圖3.26.
3所示。磁導率非常高是鐵磁材料的主要特性，也是鐵磁材料用途廣泛的主要原因之一。
圖3.26.2 磁滯迴線和基本磁化曲線圖3.26.3 磁導率曲線
（4）當鐵磁材料沿著磁滯迴線經歷磁化→去磁→反向磁化→反向去磁的迴圈過程中，由於磁滯效應，要消耗額外的能量，並且以熱量的形式耗散掉。這部分因磁滯效應而消耗的能量，叫做磁滯損耗。材料磁化，磁感應強度變化時，磁場對單位體積磁性材料做功為，磁場變化乙個週期，磁場做功為，所以乙個迴圈過程中的磁滯損耗正比於磁滯迴線所圍的面積。
磁滯損耗在交流電路中磁滯損耗是十分有害的，必須盡量減小。要減小磁滯損耗就應選擇磁滯迴線狹長、包圍面積小的鐵磁材料。如圖3.
26.4所示，工程上把磁滯迴線細而窄、矯頑力很小的鐵磁材料稱為軟磁材料；把磁滯迴線寬、矯頑力大的鐵磁材料稱為硬磁材料。
圖3.26.4 軟磁材料（左）和硬磁材料（右）
（5）磁滯迴線和各種磁化曲線都與交流磁場的頻率有關。在進行動態測量，初級線圈需要通過交流點，對於工作在50hz工頻的矽鋼片，可以用變壓器將220v市電降壓後使用，對其他頻率的測量，可以用專用電源或帶有功率輸出的訊號發生器作為勵磁電源。
2．動態磁滯迴線的測量原理
在各種電器的鐵芯中軟磁材料大多形成閉合磁路，所以採用閉合樣品進行測量與實際應用場合復合最好，如圖3.26.5所示，在環形樣品上繞匝初級線圈和匝次級線圈。
為測量勵磁電流的取樣電阻，、組成測量磁感應強度的積分電路。
（1）磁場強度的測量
當初級線圈裡通過勵磁電流時，就在磁環中產生磁場，根據安培環路定理其磁場強度可表示為
式中為被測樣品的平均周長，是與初級線圈串聯的電阻，表示兩端的電壓。由式（3.26.1）可知，已知的、、，只要測出，即可確定的大小。
圖3.26.5 動態磁滯迴線測量電路原理圖
（2）磁感應強度的測量
由於樣品被磁化後產生變化的磁通量，根據法拉第電磁感應定律，在匝數為的次級線圈中產生的感生電動勢的大小為
式（3.26.2）中為環狀樣品的截面積，於是次級線圈中產生的磁感應強度的大小為
由式（3.26.3）可知，只有對次級線圈中的感生電動勢積分才能得到值，而和組成的積分電路可以實現對的積分。
忽略自感電動勢和電路損耗，次級線圈組成的迴路方程為
式（3.26.4）中是感生電流，為積分電容兩端的電壓。設在時間內，向電容充電電量為，則，所以有
如果選取足夠大的和，使，則有
又因為，所以
將式（3.26.7）代入（3.26.2）中，並且只考慮數值而不考慮符號，可得
由式（3.26.8）可知，已知、、和後，只要測量，即可確定的大小。
（3）示波器的電壓定標
綜上所述，測量和可以通過間接測量和得到，將和分別輸入示波器的x輸入和y輸入端，即接ch1通道，接ch2通道，就可以在示波器上看到磁滯迴線。和的電壓值與示波器螢光屏上電子束水平偏轉和垂直偏轉的大小成正比。設x輸入的靈敏度為伏/格，y輸入的靈敏度為伏/格，則有
、為電子束在x,y方向測量的座標值。
3．fb310型磁滯迴線實驗儀簡介
本實驗採用fb310型磁滯迴線實驗儀進行測量，儀器實物及面板圖如圖3.26.6所示。
該實驗儀由測試樣品、功率訊號源、可調標準電阻、標準電容和介面電路等組成。測試樣品有兩種，一種是磁滯損耗較小的軟磁材料；另一種是滯損耗較大的硬磁材料。訊號源的頻率在20～200hz間可調，磁化電流取樣電阻r1在0.
1～11ω範圍內可調節，積分電阻r2在1～110kω範圍內可調節，積分電容c的可調範圍為0.1μf～11μf。樣品的平均周長=0.
06m，環狀樣品的截面積為8*10-5 m2，初級線圈匝數為=50匝，次級線圈匝數=3=150匝。
圖3.26.6 fb310型磁滯迴線實驗儀及面板圖
【實驗內容與資料記錄】
1．軟磁材料（樣品1）的基本磁化曲線和磁滯迴線觀察與測量
（1）儀器的連線
使用專用接線接通樣品1的初級和次級線圈。接通示波器和fb310型磁滯迴線實驗儀電源，將示波器光點調至顯示屏中心，適當調節示波器輝度，以免螢光屏中心受損。逆時針調節「幅度調節」旋鈕，使訊號輸出最小。
調節示波器的工作方式為「x-y」方式，示波器x輸入為ac方式，y輸入選擇為dc方式。調節實驗儀頻率調節旋鈕，頻率顯示窗顯示50.00hz。
預熱10分鐘後開始測量。
（2）儀器的除錯
單調增加勵磁電流，即緩慢順時針調節「幅度調節」旋鈕，使示波器顯示的磁滯回線上值緩慢增加，最後達到飽和。改變示波器上x、y輸入增益旋鈕，並鎖定增益電位器（順時針旋轉到底），調節、和，使示波器上顯示典型美觀的磁滯迴線。磁化電流在水平方向的讀數為（-5，+5）格。
此後，保持示波器上x、y輸入增益旋鈕和、值固定不變，以便進行、的測量。
單調減小勵磁電流進行退磁，即緩慢逆時針調節幅度調節旋鈕，直到示波器最後顯示為一點，位於顯示屏的中心，即x和y軸線的交點，如不在中間，可調節示波器的x和y「位移」旋鈕。（實驗中可用示波器x、y輸入的接地開關檢查示波器的中心是否對準螢幕x、y座標的交點。）
（3）基本磁化曲線的測量
單調增加磁化電流，即緩慢順時針調節幅度調節旋鈕，使磁滯迴線頂點在x方向讀數分別為0，0.20，0.40，0.
60，…，4.80，5.00格，記錄磁滯迴線頂點在y方向上讀數，將資料記錄於表3.
26.1中。
表3.26.1 基本磁化曲線測量資料記錄表
（4）飽和磁滯迴線測量
當示波器顯示的磁滯迴線的頂點在x方向上讀數為（-5.00，+5.00）格時（即在飽和狀態），記錄磁滯迴線在x座標分別為-5.
00，-4.50，、-4.00，-3.
50，…，3.50，4.00，4.
50，5.00格時，相對應的y座標，將資料記錄於表3.26.2中。
鐵磁材料的磁滯迴線和基本磁化曲線
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