铁磁材料的磁滞回线和磁化曲线
1)铁磁材料的磁化及磁导率
铁磁物质的磁化过程很复杂,这主要是由于它具有磁滞的特性。一般都是通过测量磁化场的磁场强度H和磁感应强度B之间的关系来研究其磁性规律的。
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图20—1 起始磁化曲线和磁滞回线
![](../img/eep-analog/analog-8658cgm4pmh2vtt.jpg)
图20—2 基本磁化曲线
当铁磁物质中不存在磁化场时,H和B均为零,即图20—1中B~H曲线的坐标原点0。随着磁化场H的增加,B也随之增加,但两者之间不是线性关系。当H增加到一定值时,B不再增加(或增加十分缓慢),这说明该物质的磁化已达到饱和状态。Hm和Bm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度(对应于图中a点)。如果再使H逐渐退到零,则与此同时B也逐渐减少。然而H和B对应的曲线轨迹并不沿原曲线轨迹a0返回,而是沿另一曲线ab下降到Br,这说明当H下降为零时,铁磁物质中仍保留一定的磁性,这种现象称为磁滞,Br称为剩磁。将磁化场反向,再逐渐增加其强度,直到H=-Hc,磁感应强度消失,这说明要消除剩磁,必须施加反向磁场Hc。Hc称为矫顽力。它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力。图20—1表明,当磁场按Hm→0→-Hc→-Hm→0→Hc→Hm次序变化时,B所经历的相应变化为Bm→Br→0→-Bm→-Br→0→Bm。于是得到一条闭合的B~H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),它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,对于初始态为H=0,B=0的铁磁材料,在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化的过程中,可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线,如图20—2所示。这些磁滞回线顶点的连线称
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图20—3 铁磁材料μ与H关系曲线
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非线性,故铁磁材料的μ不是常数,而是随H而变化,如图20—3所示。在实际应用中,常使用相对磁导率μr=μ/μ0。μ0为真空中的磁导率,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。
2)B~H曲线的测量方法
实验线路如图20—4所示。待测样品为E1型矽钢片,励磁线圈匝数N1=50;用来测量磁感应强度B而设置的探测线圈匝数N2=150;R1为励磁电流取样电阻,R1为0.5Ω~5.0Ω。设通过励磁线圈的交流励磁电流为I1,根据安培环路定律,样品的磁化场强
![](../img/eep-analog/analog-8660lblxlxu5lnu.jpg)
(20—1)
式中:L为样品的平均磁路,本实验L=60.0mm。设R1的端电压为U1,则可得
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因此,
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(20—2)
式(20—2)中的N1,L,R1均为已知常数,所以由U1可确定H。
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图20—4 磁滞回线测量线路
样品的磁感应强度B的测量是通过探测线圈和R2C2组成的电路来实现的。根据法拉第电磁感应定律,在交变磁场下由于样品中的磁通量φ的变化,在探测线圈中产生的感生电动势的大小
![](../img/eep-analog/analog-8664r3rbnu0ldma.jpg)
(20—3)
由式(20—3)可推导出
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(20—4)
S为样品的截面积。
如果忽略自感电动势和电路损耗,则回路方程为
E=I2R2+U2
式中:I2为感生电流;U2为积分电容C2两端电压。设在Δt时间内,I2向电容C2的充电电量为Q,则
U2=Q/C2
因此E=I2R2+Q/C2
如果选取足够大的R2和C2,使I2R2>>Q/C2,
则E=I2R2
所以
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(20—5)
由式(20—4)和式(20—5)可得
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(20—6)
式中:C2,R2,N2和S均为已知常量(本实验中C2=20μF,R2=10kΩ,S=80mm2),所以测量U2可确定B。
(1)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。UH和UB(即U1和U2)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,即按顺时针方向转动“U选择”旋钮,使U从0V增加至3V,然后逆时针方向转动旋扭使U从最大值降为0V,其目的是消除剩磁,即退磁过程,确保样品处于磁中性状态,即H=B=0,如图20—5所示。
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图20—5 退磁过程
(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,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(若图的顶部出现编织状的小环,可适当降低励磁电压U予以消除)。
(4)观察基本磁化曲线:按实验要求(2)对样品进行退磁,从U=0开始,逐步提高励磁电压,将在显示屏上得到面积
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