磁性材料基本磁化曲线的测量
一、实验目的
1. 通过实验了解铁磁材料基本磁化曲线测试的原理，熟悉磁锻、去磁的过程，以及用数字
磁通计测量磁通的方法，掌握用冲击法测量铁磁材料基本磁化曲线的方法； 2、通过实验熟练掌握数字磁通计的使用方法。
二、磁性材料的静态磁特性的测量原理 1.原理
磁性材料静态磁特性的测试，主要包括基本磁化曲线和磁滞回线及有关磁参量的测试。 静态磁特性测量的基本原理式根据电磁感应原理，当磁化回路中的磁化电流改变时，试样中的磁通量随之改变，在测量线圈两端产生感应电动势，根据冲击检流计偏转和磁化电流确定试样的直流磁性参数。
磁轭由高导磁材料制成，其截面积大于试样截面积50倍。磁轭与试样间的气隙极小，因此磁轭与试样构成的磁路中，可近似地认为磁势全部降落在试样上。根据磁路中的安培环路定律。试样中的磁场强度H 为
L
I
W H 1=
（1） 式中L 为试样的有效长度。
根据电磁感应定理可知，当磁化电流增加I ?时，试样中的磁通量增加?Φ，则测试线圈W 2中的磁通链增加??，即?Φ=?2W ?。??将使数字磁通计产生偏转，其最大偏转值??。因此磁感应强度B 的增量为：
S
W S B 2?φ?=?=
? （2） 式中S 为试样的截面积。
常用的测量装置见图1所示，图中：
T ～220——去磁用交流调压器220/0~250V ，500V A ； A ——监视去磁电流用的交流安培表，选用量程1A ； E ——直流稳压电源； R 2——多档可选电阻；
a.——磁轭。截面积为4900 mm 2；
b.——试样。截面积S=100mm 2，试样的有效长度L=230 mm ； W 1——试样的磁化绕组。2000匝（由红色接线柱引出）； W 2——磁测试线圈。30匝（由黑色接线柱引出）； mA ——直流毫安表；
Φ——数字磁通计，选用量程10mWb ； K 1、K 2、K 3一双刀双向开关；
图1 冲击法测量铁磁材料基本磁化曲线的原理图
2.实验装置使用介绍
图2 实验装置的面板图
在实验装置图2中，交流回路已经接线完毕，无需用户接线。只需将直流励磁回路按图1接线即可。其中稳压电源输出控制在10V 以内；滑线变阻器R 2换用多当电阻选择开关来代替，分为18档，“ON ”为电阻接通、“OFF ”为电阻短路（1档电阻最小——电流最大，18档电阻最大——电流最小，每次调节磁化电流时，只能有1个档位的电阻置于ON 上）。
监测用交流安培表A AC
交流调压器 输出 K 1
DC
＋ — 多档电阻选择开关R 2 稳压电源输出
上
测量
＋ 直流毫安表mA － K 2
K 3
下 短路
A mA
三、实验内容与步骤 1. 基本磁化曲线的测量
（1）按图1电路在实验装置上接线。注意：交流回路已在装置内部接好，无需用户接线； （2）退磁；
K 1合向AC ，将交流调压器从0增大调节使监测用交流安培表回路中的去磁电流不超过1A ，再缓慢调节输出至0V ，以此对试样进行退磁； （3）调节磁化电流m I ：
K 3合向短路，K 1合向DC ，K 2合向任一方。选择多档电阻选择开关R 2的档位1在ON 上，其它档位2～18均置于OFF 上，调节磁化电流m I 为某一确定的的值（磁化电流范围从250mA ～10mA ）。 （4）磁锻：
K 1合向DC 。把K 2反复合向“上”和“下”（m m m H H H +→→-→→+00），使试样磁锻循环在10次以上，最后K 2合在“上”（对应图3所示磁滞回线上a 点）或“下”（对应图3磁滞回线所示上a1点）上。
（5）K 3合向测量，把K 2由“上”（或“下”）断开（H m →0，a→b ），同时读出数字磁通计的读数值1??，此时1??与r m 1B B B -=?成正比；
（6）数字磁通计复位清零稳定后，把K 2从断开位置合向“下”（或“上”）（0→－H m ， b →a1），同时读出数字磁通计的读数值2??，此时2??与r m B B B +=?2成正比； （7）根据上述现象和测量结果；利用式（1）、（2）求出B m 和H m 以及μ的数值； （8）分别选择多档电阻选择按钮R 2的不同档位2～18，调节磁化电流'
m I 重复步骤（1）～（7），测出另一组B m 、H m 和μ值。要求'
m I 最小值测量到
10mA ，共测量18组值，将结果分别填入表1，并绘出基本磁化曲线（B m ～H m 曲线）。
图3 磁滞回线
I m （mA ）
1??（mWb ） 2??（mWb ）
I m （A ）
1??（mWb ） 2??（mWb ）
四、报告要求
1．简述磁材料静态磁特性的测试原理；
2．填写实验数据表格，根据测试基本磁化曲线的数据，画出给定铁磁材料基本磁化曲线、
磁导率曲线，并求出相应最大磁导率μ；
3．回答思考题。
五、思考题
1．在实验过程中，若实验步骤操作出错，应重新哪些操作？
2．如何较为准确地找出最大磁导率μm的值？
3．根据电路中各参数和实验要求，如何确定出应取的十八个电阻值，使测试点在基本磁化曲线上的均匀分布？
六、注意事项
1．实验前，应根据铁磁材料的磁性质，将实验步骤中各开关前后动作的次序从道理上弄清楚，并熟练掌握；
2．电阻R2是测量过程中调节磁化电流的电阻。实验时，为了确定最大磁化电流为250mA，应现将电阻R2置于1档的ON上，调节稳压电源的输出电压，再改变电阻R2的各个档位进行测量。
七、实验设备
1、磁轭及铁磁材料试样自制1套W1＝2000匝W2＝30匝
2、实验装置自制1套
3、数字磁通计HT700 1台
附录：HT700型数字磁通计的操作方法
1．打开电源，LED显示器点亮，预热5分钟；
2．按下测量按键，按下所需量程（若不能预先得知测量范围，则应从高量程档开始测量）；3．漂移调节：按下测量键后，LED显示器会出现数字，并从正向（或负向）方向一直增加（这是积分器漂移也被累加的缘故）。先将输入端短路，用调零电位器对漂移进行调节，如数值变化慢则表示调节方向正确，否则需反向调节，直至数值变化相当慢（甚至不变），直至显示为零。
4．测量：
A．积分信息测量，按“复位”开关，输入一次电压脉冲信号，看清该脉冲信号被积分后的电压读数，随即按复位键；
B．峰值保持测量，按下“保持”键，按一下复位快关后，输入一组需保持最大值的电压脉冲信号，该积分后的电压最大值读数即被保持，如需去掉原来读数，则按“复位”开关，显示即为零。
C．在测量过程中进行漂移调节是必须的。
5．读数方法：
满磁通量程时显示为1000，如显示不到1000说明没有满量程。例如：量程为10-2Wb，而显示900，则磁通量Ψ＝0.9×10-2Wb＝900×10-2Wb。
电气量的测量
一、 实验目的：
1．学习交流电压、电流和功率的测量方法；
2．了解电压变送器、电流变送器的工作原理和使用方法； 3．对实验装置组成的测试系统进行电压和电流的标定；
4．对给定的负载电压和电流进行满量程校验，对给定的三个负载的有功功率进行测量。
二、 实验原理：
1.交流电压参数的测量
1.1 交流电压的主要参数
1）瞬时值：)()()(0T t f t f t u +== T 0为交流电的周期； 2）幅值：)(t u 在一个周期内T 达到正的最大值称为幅值。 3）平均值：
?=T
dt t u T U 0
)(1平均
（1） 当有直流分量时，对纯正弦交流电压，平均值就等于该直流分量。当无直流分量时，平均值为零。在实用中是对u(t)的绝对值)(t u 进行平均。所以：
?=
T
dt t u T U 0
)(1平均 4）有效值：交变电压u(t)的均方根称为有效值（又称真有效值）。 1.2 交流电压参数的测量方法
交流电压参数的测量一般分传统的仪表测量和计算机测量两种方法。
采用传统的交流电压表测量，一般显示值为被测电压的有效值。根据仪表的工作特性，一般分为平均响应型和有效值响应型两种。
● 平均响应型仪表是把被测电压经平均值转换电路变成与u(t)的平均值成正比的直
流电压，然后乘上特定的波形系数变换成被测电压的有效值。此类仪表显然只适用于特定的波形（一般为正弦波）的有效值测量。而对非正弦波，会因波形系数的变化而引起误差。
● 有效值响应型电压表是利用热电变换或有效值检波电路，将U(t)变换成与其有效值
成正比的直流电压，然后计算显示。此类仪表不仅适用于测量正弦波，而且也适用于测量非正弦波。通常讲的真有效值电压表就是指此类仪表。
在交流电压测量中，交流电压的频率f 对仪表误差的影响很大。保证仪表基本误差的频率范围称之为仪表的工作频带。
采用计算机测量交流电压参数，由于能够采集显示被测信号的完整波形，能同时测量各种参数，且准确度较高。这是传统仪表无法比拟的。
1.3 计算机测量交流电压参数的原理
1） 频率的测量
频率的测量是通过计算信号的过零点来实现的。将采集到的被测信号去掉直流分量，然后寻找其过零点，则得到信号频率为：
1
_0f pot t
=
*?
式中：pot_0为一个周期的采样点数，t ?为采样周期。
2） 有效值测量
根据有效值的定义式：
?
=
T
dt t u T
Urms 0
2)(1
可得有效值的离散计算式：
Urms =
式中，N 为信号在一个整周期内的采样点数。 3） 平均值测量
根据式（1）式，可得平均值的离散计算公式：
Uarv =
式中，N 为信号在一个整周期内的采样点数。
此外通过相应程序的编制，极易实现信号峰值、交流分量的有效值、直流分量等参数的测量。
2. 功率的测量
2.1 变送器原理概述
变送器原理框图如图1所示。变送器的输入信号可以是电量的(如电压、电流)，也可以是非电量的(如压力、温度)。其内部主要包含传感器、前置放大器及输出电路三部分。传感器将待测的非电量信号转换为电信号，经前置放大器放大后，通过输出电路转换成1～5V 标准电压或4～20mA 标准电流信号。
信号输入
信号输出
图1 变送器原理框图
2.2 功率的测量
负载功率与电压、电流的关系式为：
cos P UI ?=
其中： U 、I 分别为交流电压、电流的有效值，P 为有功功率，为电压和电流的相位差。当负载为纯阻性时，cos ?＝1。
可知，电流和电压的有效值离散计算式分别为：
rms I =
rms U =
其中：N 为电压/电流信号在一个周期内的采样点数，i k 、u k 分别为采集到的电压、电流信号
在第k 个时刻的采样值。
则负载功率的离散计算式为：
∑-==
1
1N k k k
I U
N
P
其中：P 为有功功率，N 信号在整周期内的采样点数。k U 、k I 分别为整周期内交流电压、电流的采样值。
3. 相位的测量
3.1 过零法测量原理
过零法即通过判断两同频率信号过零点时刻, 计算其时间差, 然后转换为相应相位差。 这一过程可用图2表示。
图2 过零法计算相位差的示意图
其中: △t 为过零点时差; T 为信号周期
在软件实现时, 信号被采样离散化而用一组数表示, △t 即与数组元素的序号之差有关。 假设信号1过零点对应数组第i 个元素, 信号2的过零点对应其数组第j 个元素, 则有
Δφ=(j-i)*t/T
其中:t 为采样周期。 实际上，在程序的算法实现中, 过零点的判断本身就存在误差, 因为实际信号采集几乎无法准确采集到零点时刻, 我们是通过信号前一时刻和后一时刻的值的变化来判断过零点的,通常依据两值乘积为小于等于零来判断,因此过零法本身就有一定的误差。 3.2 FFT 频谱分析法原理
FFT 法求相位差，即对信号进行频谱分析, 获得信号的相频特性, 两信号的相差即主频率处相位的差值，所以这一方法是针对单一频率信号的相差测量的。
在有限区间(t,t+T )内绝对可积的任一周期函数x （t ），它的傅里叶级数展开式为
n 0
1
()sin cos (cos sin )2n n n n n n x t b n t a n t
a a n t
b n t ∞∞
==∞
==Ω+Ω=
+Ω+Ω∑∑∑
同时x （t ）可以表示为
比较上式可得：
00cos sin 2
n n n
n n n n
n n n n n
n
a x
b x a x a a x tg arctg
b b ????=
=====
由此可得，两信号的相位差为
1
2
i i ???
=-
此方法基于连续信号离散化处理的离散傅利叶变换(DFT)，FFT 是DFT 的一种快速算法。它要求所处理的数据总数为2n
，因而对采集的数据总数有要求，另外要求采样必须满足“采样定理”，否则发生频谱混叠。 3.3 相关法原理
设有两同频信号x(t)和y(t)，可表示为
x(t)=Asin(ωt+θ)+Nx(t), y(t)=Bsin(ωt+θ+φ)+Ny(t), 其中 N x (t),N y (t)为噪声信号，φ为两信号相差。 则两信号的互相关函数为:
000
1()()()1[sin()()][sin(())()]1[sin()()][sin()()]T
xy T
x y T
x y R x t y t dt T A t N t B t N t dt T A t N t B t N t dt T ττωθωτθ?τωθωθ?=
+=+++++++=+++++??? 由于噪声与信号不相关，而且两噪声之间也不相关, 因此可推得:
[]0
1
(0)sin()sin()T
xy R AB t t dt T ωθωθ?=+++?
(0)cos 2
xy AB
R ?=
2(0)
arccos
xy R AB
?∴=
再由信号幅值与其自相关函数的零点之间的关系, 可得:
)
(sin )(1
0n n n t n x x t x ?+Ω+=∑∞
=
)0(2x R
A =
)0(2y R B =
最后可得:
)
0()0()0()
0(2arccos
y x xy xy R R R AB
R ==?
实际算法中, 相关函数的离散时间表达式如下:
∑
-==
1
][][1
]0[N n y n y n y N
R ][][1
]0[1
n x n x N
R N n x ∑
-==
∑-==
1
][][1
]0[N n xy n y n x N
R
由此可见相关法的抗噪能力较强。
4. 实验电路和实验装置使用介绍
负载功率的测试硬件平台见图3所示。图中V 、A 分别测量负载交流电压和电流的有效值。GAA －011交流电流变送器的额定输入为0～2A 交流有效值，输出为0～5V 交流有效值。GA V —01交流电压变送器的额定输入为0～300V 交流有效值，输出为0～5V 交流有效值。计算机对采集到的信号分析处理后得到负载电流、电压、相位和功率值。
图3 负载电流、电压、相位和功率测试硬件测试平台
图4所示为实验装置和内部接线图。其中所有器件在实验装置的内部已经按照图3接线完毕，只需用户接入交流功率源的输出即可；负载可选择纯阻（J 1与J 2短接）或者容阻串连（J 1与J 3或J 4、J 5短接）；电压、电流变送器的输出通过实验装置后面的接口，分别送入PCI —9111型A/D 卡的0、1两个通道，进行数据采集。
三、实验内容：
1.虚拟电压、电流和功率表的设计
（1）虚拟交流电压、电流和功率表界面设计：
利用LabVIEW 或CVI 软件开发虚拟电压计的操作界面，包括：数据采集、波形显示、交流电压、电流和功率各参数测量结果的显示，以及各种命令按钮如启动、关闭等； （2）虚拟交流电压、电流和功率表测试功能设计：
编写信号采集程序：
要求：编写一个用凌华9111HG 数据采集卡进行双通道数据采集的程序（通道为0和1），要求采样速率为100KHz ，采样总点数为1024×9点，分别显示电压和电流两路信号的
采集波形。
图4 实验装置和内部接线图
● 编写频率测量程序：
要求：用过零法测量信号周期及频率，并显示结果。
● 编写有效值计算程序：
要求：调用CVI 中的库函数ACDCEstimator 函数或按有效值离散计算式计算电压和电流信号的有效值。
●
编写相位差计算程序：
要求：调用CVI 中的库函数ToPolar1D 函数、FFT 函数和Correlate 函数，分别用过零法、FFT 法和相关法或按相位差的离散计算式，计算电压和电流信号的相位差；
●
编写负载功率计算程序，并显示测量结果。
2.虚拟电压、电流和功率表的标定
将实验装置看成一台未定标的测量系统。在未知系统输入输出关系的情况下，对实验装置进行系统标定。
改变交流功率源的输出大小，分别读取输入电压和输入电流测量值，记录电压和电流信号经变送器的输出电压，并填入表1和表2中。
表1 实验数据记录
三位 电压表（V ） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 交流功率源电压表（V ） 采集后的 电压值（V ）
J 1
交流功率源输出 200Ω/300W 交流电流表 J 5 J 4 J 3 J 2 电 容 电阻100Ω/300W
2μF 2μF 2μF
交流电流表
交流电压表
A
V
电流变送器
电压变送器
直 流 开 关 电 源
供给电流和电压变送器±12V 电压
南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2） 实验名称：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 学院：专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：座位号： 实验时间： 一、实验目的： 1、掌握用磁滞回线测试仪测绘磁滞回线的方法。 2、了解铁磁材料的磁化规律，用示波器法观察磁滞回线比较两种典型铁磁物质的动态磁化特性。 3、测定样品的磁化特性曲线（B-H曲线），并作μ-H曲线。 4、测绘样品在给定条件下的磁滞回线，估算其磁滞损耗以及相关H C、B R、B M、H、B的等参量。 二、实验仪器： TH—MHC型智能磁滞回线测试仪、示波器。 三、实验原理： 1．铁磁材料的磁滞特性
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。其特性是在外磁场作用下能被强烈磁化，即磁导率μ很高。另一特征是磁滞，铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间关系的特性。即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线。 图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝O，当磁场强度H 从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上升，如曲线Oa，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至H S时，B达到饱和值B S这个过程的OabS曲线称为起始磁化曲线。如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B的值也要减小。图1表明，当磁场从H S逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，对应的B值比原先的值大，说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。比较线段OS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，这种现象称为磁滞。磁滞的明显特征是当H＝O时，磁感应强度B值并不等于0，而是保留一定大小的剩磁Br。 当磁场反向从0逐渐变至－H D，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，可以施加反向磁场。H D称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，曲线RD称为退磁曲线。 图1还表明，当磁场按H S→O→H C→?H S→O→H D′→H S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，可以看出磁感应强度B值的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这条闭合曲线称为磁滞回线。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。磁滞是铁磁材料的重要特性之一，研究铁磁材料的磁性就必须知道它的磁滞回线。各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线，主要是磁滞回线的宽、窄不同和矫顽力大小不同。 当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热，要消耗额外的能量，因为反复磁化时磁体内分子的状态不断改变，所以分子振动加剧，温度升高。使分子振动加剧的能量是产生磁场的交流电源供给的，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种在反复磁化过程中能量的损耗称为磁滞损耗，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。 当初始状态为H＝B＝O的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，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。 图1 铁磁质起始磁化图2 同一铁磁材料的 曲线和磁滞回线一簇磁滞回线
磁滞回线和基本磁化曲线【实验原理】铁材料的磁滞现象: 铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间的关系的特征。将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化．当磁场强度H由零增加时，磁感应强度B由零开始增加。H继续增加，B增加缓慢，这个过程的B -H 曲线称为起始磁化曲线，如图l 中的oa 段所示。当磁场强度H减小，B也跟着减小，但不按起始磁化曲线原路返回，而是沿另一条曲线（图1中）ab 段下降，当H 返回到零时，B不为零，而保留一定的值Br，即铁磁材料仍处于磁化状态，通常Br称为磁材料的剩磁。将磁化场反向，使磁场强度负向增加，当H达到某一值材料中的磁感应强度才为零，这个磁场强度Hc 继续增加反向磁场强度，磁感应强度B反向增加。如图1中cd 段所示。Hc时，铁磁称为磁材料的矫顽力。增加到Hm时，其过程与磁场强度从Hm减小到-Hm 过程类似。这样形成一个闭合的磁滞回线。逐渐增加H从值，可以得到一系列的逐渐增大的磁滞回线，如图 2 所示。把原点与每个磁滞回线的顶端基本磁化曲线。如图1中oa 段所示。当Hm增加到一定程度时，磁滞回线两端较平，即H增加，B增加很小，在此时附近铁磁材料处于饱和状态。。基本磁化曲线上的点与原点连线
的斜率称为磁导率。 在给定磁场强度条件下表征单位H 所激励出的磁感应强度B ，直接表示材料磁化性能强弱。从磁化曲线上可以看出磁导率并不是常数。当铁磁材料处于磁饱和状态时，磁导率减小较快。曲线起始点对应的磁导率称为初始磁导率。磁导率的最大值称为最大磁导率。这两者反映 2 、示波器显示样品磁滞回线的实验原理及电路2 、示波器显示样品磁滞回线的实验原理及电路 曲线的特点。如图3所示。只要设法使示波器X 轴输入正比于被测样品中的H，使Y 轴输入正比于样品的B , 保持H和B为样品中的原有关系就可在示波器荧光屏上如实地显示出样品的磁滞回线。怎样才能使示波器的X轴输入正比于H , Y轴输入正比于B 呢？图4为测试磁滞回线的原理图。L为被测样品的平均长度 （虚细框）, R1,R分别为原，副边匝数， 故只要将U1和UC分别接到示波器的X 轴与Y轴输入，则在荧光屏上扫描出来的图形就能如实地反映被测样品的磁滞回线。依次改变U1 各条磁滞回线顶点的连线便是基本磁化曲线。本实验的任 务之一是定出各顶点所代表的U1和UC的值（即H和B的值），画出基本磁化曲线
图1 起始磁化曲线和磁滞回线 用示波器观察铁磁材料动态磁滞回线 【摘要】铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性。软磁材料的矫顽力H c 小于100A/m ，常用做电机、电力变压器的铁芯和电子仪器中各种频率小型变压器的铁芯。磁滞回线是反映铁磁材料磁性的重要特征曲线。矫顽力和饱和磁感应强度B s 、剩磁B r P 等参数均可以从磁滞回线上获得.这些参数是铁磁材料研制、生产、应用是的重要依据。 【关键词】磁滞回线 示波器 电容 电阻 Bm Hm Br H 【引言】铁磁物质的磁滞回线能够反映该物质的很多重要性质。本实验主要运用示波器的X 输入端和Y 输入端在屏幕上显示的图形以及相关 数据，来分析形象磁滞回线的一些因素,并根据 数据的处理得出动态磁滞回线的大致图线。 【实验目的】 1. 认识铁磁物质的磁化规律，比较两种典 型的铁磁物质的动态磁化特性。 2. 测定样品的H D 、B r 、B S 和（H m ·B m ）等参 数。 3. 测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。 【实验仪器】 电阻箱(两个),电容(3-5微法)，数字万用表，示波器，交流电源，互感器。 【实验原理】 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为铁磁物质的磁感应强度B 与磁化场强度H 之间的关系曲线。 图中的原点O 表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B ＝H ＝O ，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oa 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H S 时，B 到达饱和值B S ，oabs 称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从H S 逐渐减小至零，磁感应强度B 并不沿起始磁化曲线恢复到“O ”点，而是沿另一条新的曲线SR 下降，比较线段OS 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 ＝O 时，B 不为零，而保留剩磁Br 。 当磁场反向从O 逐渐变至－H D 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 D 称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD 称为退磁曲线。 图1还表明，当磁场按H S →O →H D →-H S →O →H D ′→H S 次序变化，相应的磁感应强度B 则沿闭合曲线S S RD 'S D R ''变化，这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。
实验三、磁性材料的VSM 测量 一、实验目的 1．了解VSM 仪器的测量原理。 2．了解VSM 的操作要领和注意事项。 3．了解样品磁性测量的方法。 二、实验设备 天平、VSM 等。 三、原理说明 VSM 系统的主体部件是由直流线绕磁铁、振动器和感应线圈组成。装在振动杆上的样品位于磁极中央感应线圈中心连线处，在感应线圈的范围内垂直磁场方向振动。图1是VSM 的结构简图，图2是VSM 的实物图。振动样品磁强计的原理就是将一个小尺度的被磁化了的样品视为磁偶极子并使其在原点附近作等幅振动，利用电子放大系统，将处于上述偶极场中的检测线圈中的感生电压进行放大检测，再根据已知的放大后的电压和磁矩关系求出被测磁矩。 图2 VSM 实物图 设磁化场沿x 轴向，而样品S 沿z 向作等幅振动。在磁铁极头端面处对称放置匝数为N 、截面为S 的检测线圈，其对称轴垂直于z 轴。则可得到穿过第n 匝内dsn 面积元的磁通为： 5n n n n n z r 4Z MX 3ds )r (H d π= =φ 而n n φ∑=φ，由此可得出检测线圈内的总感生电压为： n 7n n 2 n n n 0ds r )z 5r (X ∑t ωcos ωa π4M 3dt φd )t (ε∫== 其中a 0为样品的振幅，ω为振动频率。从方程可以得到，检测线圈中的感生电势正比于样品总磁矩M 及其振动频率ω和振幅a 0，同时和线圈的匝数、大小形状及线圈和样品间的距离有
关。因此，将线圈的几何因素及与样品的间距固定，样品的振幅和频率也固定，则感生电压仅和样品的总磁矩成正比。经过定标以后，就可根据感生电压的大小推知样品的总磁矩：将该磁矩除以样品体积或质量，就可得出该样品的单位质量或单位体积的磁矩。如果将高斯计的输出信号和感生电压分别输入到X-Y记录仪的两个输入端，就可以得到样品的磁滞回线。 四、实验步骤 1.开机预热30分钟 ①打开电源，打开电脑，启动VSM软件。 ②观察了解仪器的结构。 ③学习仪器的原理和测量方法。 2.仪器校准 ①取下样品，磁矩调零。 ②磁场对中，使得正向加磁场的剩磁约80 Oe，反向磁场的剩磁约-80 Oe。 ③用已知质量、磁矩的纯镍球定标。 3.样品测量 ①增加磁场，将待测样品反复磁化多次。 ②将样品固定到样品杆，粗测磁矩。 ③确定所用磁场大小、磁矩量程。 ④测量样品的磁滞回线。 4.根据测量结果，绘出样品的磁滞回线，由此确定样品饱和磁化强度、矫顽力等参数。 五、思考题 1．VSM如何实现磁矩测量的？ 2. 正是测试前磁矩是如何定标的？ 3．为何要进行磁场零点调节？如果不调零，对测量结果有何影响？
磁滞回线的测量实验报 告 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-
石家庄铁道大学物理实验中心 第1页 共10页 实验名称： 用示波器观测铁磁材料的动态磁滞回线 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基础教学楼1101 实验日期 2016年 月 日 节 一、实验目的： 1、掌握磁滞、磁滞回线、磁化曲线、基本磁化曲线、矫顽力、剩磁、和磁导率的的概念。 2、学会用示波法测绘基本磁化曲线和动态磁滞回线。 3、根据磁滞回线测定铁磁材料在某一频率下的饱和磁感应强度Bs 、剩磁Br 和矫顽力Hc 的数值。 4、研究磁滞回线形状与频率的关系；并比较不同材料磁滞回线形状。 二、实验仪器 1. 双踪示波器 2. DH4516C 型磁滞回线测量仪 评 分 此实验项目教材没有相应内容，请做实验前仔细阅读本实验报告！并携带计算器，否则实验无法按时完成！
图1 磁性材料的磁化曲线图2 磁滞回线和磁化曲 线 2、磁滞现象、剩磁、矫顽力、磁滞回线 当铁磁质磁化达到饱和后，如果使H逐步退到零，B也逐渐减小，但B 的减小“跟不上”H的减小（B滞后于H）。即：其轨迹并不沿原曲线SO， 而是沿另一曲线Sb下降。当H下降为零时，B不为零，而是等于B r ，说明铁磁物质中，当磁化场退为零后仍保留一定的磁性。这种现象叫磁滞现象， B r 叫剩磁。若要完全消除剩磁B r ，必须加反向磁场，当B=0时磁场的值H c 为铁磁质的矫顽力。 当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线成为一闭合曲线，这个闭合曲线称为磁滞回线，如图2所示。 3、基本磁化曲线 对于同一铁磁材料，设开始时呈去磁状态，依次选取磁化电流I 1 、 I 2、….I n ，则相应的磁场强度为H 1 、H 2 、….H 3 ，在每一磁化电流下反复交换 电流方向（称为磁锻炼），即在每一个选定的磁场值下，使其方向反复发生 几次变化（如H 1→- H 1 →H 1 →- H 1 ….），这样操作的结果，是在每一个电流
近代物理实验讲义BH特性测量 南京理工大学 物理实验中心
2009.1.20 BH特性测量 引言 磁性材料是我们广泛使用的一类材料，它与我们的生产生活紧密相关。许多生产设备上都安装有由磁性材料制成的部件，比如发电机中的永磁体、电动机中的转子、各类电磁铁中的铁芯、用于密封润滑的磁性液体，还有磁性液体选矿。近年来兴起的纳米技术更是使磁性材料研究和应用达到了新的高度。纳米磁性材料由于具有单畴结构导致的高矫顽力或者尺度小于磁畴而导致的超顺磁状态而在高密度磁存储和生物医学方面展现出了诱人的应用前景。 我们使用的磁性材料根据其矫顽力的大小可以分成三类，即硬磁材料、半硬磁材料、软磁材料。其中硬磁材料具有很高的矫顽力，适合用于需要永久磁场的场合，比如电机定子中的磁瓦、扬声器中的永磁体等等。 磁性参数的测试是评价一种磁性材料应用潜力的一个重要手段，因此我们有必对各种磁性材料的次性能进行测量。 一、实验目的 A 掌握磁化曲线和磁滞回线中涉及的各类物理量的物理含义，及其对于应 用的参考价值； B掌握HT610 B-H硬磁材料测量系统的结构和测量原理；
C 掌握利用该系统研究硬磁材料（AlNiCo合金）的退磁曲线、磁滞回线； 研究被测材料的磁特性，即B r（剩磁）、H c（矫顽力）、（BH）max （最大磁能积）、Rs（矩形比）等几项基本磁性能参数的方法。 二、实验设备 HT610 B-H硬磁材料磁特性测量仪，计算机，待测的硬磁样品（AlNiCo合金） 三、实验原理 在铁磁性材料中由于磁矩之间的交换作用，它们会自发的沿平行方向进行排列。由于磁体本身具有一定的几何尺寸，当所有原子的磁矩都同向排列时将会导致磁体表面产生表面磁极。表面磁极会在磁体内部产生退磁场，磁体内的原子磁矩与退磁场相互作用，具有退磁场能。为了降低退磁场能磁体会由单畴结构转变为多畴结构，即由整个磁体内部所有原子磁矩一致取向转变为由一系列小的区域构成，在每个小的区域内部原子磁矩取向基本相同，但是不同区域内部的原子磁矩取向具有随机性。我们把原子磁矩取向基本相同的小区域称为磁畴。磁畴与磁畴之间存在磁矩取向的过渡层，这就是畴壁。畴壁具有畴壁能。磁畴大小的分布主要是由畴壁能和退磁场能之和的极小值决定的。当外磁场由零逐步增大时，处 于其中的磁体对外磁场做出响应， 原子磁矩发生转动使其沿外磁场方 向排列，主要表现为磁畴畴壁的移 动，即磁矩与外磁场方向相同的磁 畴的畴壁向外扩张，磁矩与外磁场 不同的磁畴的磁畴收缩，或者表现 为磁畴的转动。通过畴壁的移动或 者磁畴的转动，使磁体内部的磁化 强度随外磁场的增强而逐步增强， 当所有的原子磁矩都沿外磁场方向图 1 磁化曲线和磁滞回线
1 磁性基本测量方法 磁性测量 组织结构不敏感量（内禀参量、本征参量） 组织结构敏感量（非本征参量） 物质结构与相关现象 交变磁场条件下的磁参数测量 M S 、T C 、K 1、λS 等 M r 、B r 、H C 、μ、χ等 磁畴结构、磁矩取向、各种磁效应（磁热、磁光、磁电、磁致伸缩、磁共振等）
2 冲击法测磁性材料参数 O ：标准环形试样； N ：磁化线圈； n ：测量线圈；G ：冲击检流计； A ：直流电流表；M ：标准互感器； K 1、K 2：双掷开关；R 1、R 2：可变电阻 Ni H =在N 线圈中通以电流i ，则在N 中产生磁场： N ：磁化线圈匝数 ：试样平均周长 试样被磁化，磁感应强度为B K 1突然换向(在极短时间τ秒内) H H H B B B →+→+：-：-B S φ=磁通量： S ：试样的截面积 冲击法测磁原理图 （磁化曲线和磁滞回线）
3 r ：测量回路中的总折合电阻 磁通量的变化，引起线 圈n （匝数为n ）中产生 感生电动势： d dB n nS d d φε=-=-ττ在测量回路（由n 、M 、G 、R 3、R 4组成）中产生瞬时电流： 0i r ε=由冲击检流计测出其电量Q ： B 000B nS Q i d d dB 2nSB/r r r Q C τ τ-ε?=τ=τ=-=-???=α????Cr B 2nS α=-α：冲击检流计的偏转角； C ：冲击检流计常数
4 Cr 的求法： di M d 'ε=-τ K 2合上标准互感器M 的线路，M 主线圈上的电流i ： 其副线圈两端产生的感应电动势为： 0i '→M ：互感器的互感系数 测量回路中的感生电流： 0i r 'ε'=通过检流计的电量（相应偏转角为α0）： i 00000M M Q C i d d d i r r r 'ττ'ε'''=α=τ=τ=-τ=-???0Mi Cr '=-αCr ：测量回路的冲击常数 在不同H 条件下，测出B ，可绘出磁化曲线。 测量磁滞回线的基本原理与此相同。
实验名称：软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线的测量 铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类.软磁材料的矫顽力H c 小于100A/m ，常用做电机、电力变压器的铁芯和电子仪器中各种频率小型变压器的铁芯.磁化曲线和磁滞回线是反映铁磁材料磁性的重要特征曲线.矫顽力和饱和磁感应强度B s 、剩磁B r .磁滞损耗P 等参数均可以从磁滞回线和磁化曲线上获得.这些参数是铁磁材料研制、生产、应用是的重要依据. 铁磁材料磁化时，其磁感强度随磁场强度的变化非常复杂.有如下特点： 1．一块从未被磁化的软磁材料磁化时，当H 由0开始逐渐增加至某最大值H m ，B 也由0开始逐渐增加，由此画出的B -H 曲线o -a 称起始磁化曲线，如图1所示. 起始磁化曲线大致分为三个阶段，第一阶段曲线平缓，第二阶段曲线很陡，第三阶段曲线又变得平缓.最后B 趋于不变，这种现象称为饱和.饱和时的磁感强度称为饱和磁感强度，记做B s . 2．磁化过程中材料内部发生的过程是不可逆的，当磁场由饱和时的H m 减小至0，B 并非沿原来的磁化曲线返回，而是滞后于H 的变化.当H =0时，B =B r ，称为剩余磁感应强度.要想使B 为0，就必须施加一反向磁场-H c .H c 称为矫顽力. 继续加大反向磁场至-H m ，曲线到达a '，磁感应强度变为-B s .磁场再由-H m 变至H m ，曲线又回到a ，形成一条闭合曲线，叫磁滞回线. 3．如果初始磁化磁场由0开始增加至一小于H m 的值H 1，然后磁场在- H 1与H 1之间变化，也可以得到一条磁滞回线.但这条曲线不是饱和 的.逐渐增加磁场至H 2，H 3，H 4，…(H 2 铁磁材料的滞回线和基本磁化曲线实验报告记录 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2） 实验名称：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线学院：专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：座位号： 实验时间： 一、实验目的： 1、掌握用磁滞回线测试仪测绘磁滞回线的方法。 2、了解铁磁材料的磁化规律，用示波器法观察磁滞回线比较两种典型铁磁物质的动态磁化特性。 3、测定样品的磁化特性曲线（B-H曲线），并作μ-H曲线。 4、测绘样品在给定条件下的磁滞回线，估算其磁滞损耗以及相关H C、B R、 B M、H、B的等参量。 二、实验仪器： TH—MHC型智能磁滞回线测试仪、示波器。 三、实验原理： 1．铁磁材料的磁滞特性 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。其特性是在外磁场作用下能被强烈磁化，即磁导率μ很高。另一特征是磁滞，铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间关系的特性。即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线。 图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝O，当磁场强度H从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上升，如曲线Oa，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至H S时，B达到饱和值B S这个过程的OabS曲线称为起始磁化曲线。如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B的值也要减小。图1表明，当磁场从H S逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，对应的B值比原先的值大，说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。比较线段OS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，这种现象称为磁滞。磁滞的明显特征是当H＝O时，磁感应强度B值并不等于0，而是保留一定大小的剩磁Br。 当磁场反向从0逐渐变至－H D，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，可以施加反向磁场。H D称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，曲线RD称为退磁曲线。 图1还表明，当磁场按H S→O→H C→?H S→O→H D′→H S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，可以看出磁感应强度B值的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这条闭合曲线称为磁滞回线。当铁磁材料 磁性材料B-H 特性的测量 摘要： 关键词：B-H 磁滞回线 剩磁B r 最大磁能积（BH ）m 退磁曲线 矫顽力B H c 一、引言 磁性材料，一般只具有铁磁性或亚铁磁性并具有实际应用价值的磁有序材料。广义的磁性材料也包括具有实际应用价值或可能应用的反铁磁材料或其他弱磁性材料。 磁性材料种类很多，磁特性参量不少。从技术应用角度出发，常关注材料的B-H 特性。从B-H 磁滞回线上可以方便地得到这样一些参量：（1）剩余磁感应强度B r （简称剩磁），其意义在于磁性材料被饱和磁化后，材料内部磁化场下降到零时，材料内所保存的磁感应强度值，通常M r 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的动态磁化特性。 2. 测定样品的基本磁化曲线，作μ －H曲线。 3.测定样品的H D、B r、B S和（H m·B m）等参数。 4.测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。 【实验仪器】 DH4516型磁滞回线实验仪，数字万用表，示波器。 【实验原理】 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为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。 图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝O，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oa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H S时，B到达饱和值B S，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从H S逐渐减小至零，磁感应强度B 并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS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＝O时，B不为零，而保 留剩磁Br。 当磁场反向从O逐渐变至－H D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 D称 为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。 图1还表明，当磁场按H S→O→H D→-H S→O→H D′→H S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。 磁性材料B-H 特性的测量 摘要: 关键词：B-H 磁滞回线剩磁B r 最大磁能积（BH ）m 退磁曲线矫顽力 一、引言 磁性材料，一般只具有铁磁性或亚铁磁性并具有实际应用价值的磁有序材料。 性材料也包括具有实际应用价值或可能应用的反铁磁材料或其他弱磁性材料。 磁性材料种类很多，磁特性参量不少。从技术应用角度出发，常关注材料的 从B-H 磁滞回线上可以方便地得到这样一些参量： （1 ）剩余磁感应强度 B r 意义在于磁性材料被饱和磁化后， 材料内部磁化场下降到零时， 材料内所保 存的磁感应强度 值，通常M r 姓名：易常瑞 学号： 5502211043 班级： 应用物理学11班 班级编号：s008 实验时间：第十周星期三13：00座位号：8 教师编号：T042 五、数据处理 基本磁化曲线与μ—H 曲线(R 1=3Ω) μ—H 曲线 |?/(H /m ) H/(A/m) 姓名：易常瑞学号： 5502211043 班级：应用物理学11班班级编号：s008 实验时间：第十周星期三13：00座位号：8 教师编号：T042 基本磁化曲线 磁滞回线(U=1.0v, R1=2.5Ω) 姓名：易常瑞学号： 5502211043 班级：应用物理学11班班级编号：s008 实验时间：第十周星期三13：00座位号：8 教师编号：T042 磁滞回 线 由磁滞回线所谓的面积可知，磁滞损耗为[HB]=2.7（T?A/m） 饱和磁感应强度B s=1.273333333(T) 矫顽力H D=115.3333333(A/m) 剩磁R r=0.366666667(T) 相关已知量：N=50，L=60mm n=150，s=80mm2，c1=c2=20μF，R2=10kΩ 相关公式：H=NR1 L U1，B=c2R2 ns U2 六、误差分析 本实验的最大误差可能就来源于我的读数，因为本来是以大格为标准读的，而我以小格为标准读，因为所要读的点本来就比较大，如果再读的那么精确的话，反而会使误差增大，看一下我所画出来的磁滞回线就知道了，并不是那么圆滑。 还有一个误差就是第一个表格，因为很多的电压和电阻情况下都无法将所有的一组数据记录完整，因此为了达到这个目的，必须将初始值的图像调得非常小，这就带来了读数误差，再一个就是后面几个数据由于图像并不是很好而带来误差。因此，在测量时，应适当改变横向或纵向电压，已达到获得较好读数的目的。 物理实验报告铁磁材料的磁滞回线和基本磁化 曲线 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】 实验２０铁磁材料的磁滞回线及基本 磁化曲线 铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。如航天、通信、自动化仪表及控制等都无不用到铁磁材料（铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物均属铁磁物质）。因此，研究铁磁材料的磁化性质，不论在理论上，还是在实际应用上都有重大的意义。本实验使用单片机采集数据，测量在交变磁场的作用下，两个不同磁性能的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。 【预习重点】 （１）看懂实验原理图及接线图。 （２）复习示波器的使用方法。 参考书：《电磁学》下册，赵凯华、陈熙谋着，第五、六章；《大学物理学》电磁学部分，杨仲耆等编，第六章。 【仪器】 磁滞回线实验组合仪、双踪示波器。 【原理】 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。 图２０—１起始磁化曲线和磁滞回线 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→－Ｈ c →－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 关于磁致伸缩系数λ的测量 一、目的意义 能源、材料和信息并列为现代科学技术的三大支柱,这三大支柱是现代社 会赖以生存和发展的基本条件之一,其中材料科学显得尤为重要。磁致伸缩材料(Magnetostrictive Material)是自20世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，由于它在室温下具有机械能—电能转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单等优点，引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性变化。磁致伸缩系数是标志磁致伸缩材料性能优劣的关键参数，磁致伸缩系数越大其材料的能量密度越大，获取较大的磁致伸缩系数也是研究人员的目的之一，因此,获得精确的GMM的磁致伸缩系数,对材料的开发应用具有重要意义。本文主要以铁镍合金为例来说明磁致伸缩系数这一性能参数的测量。目前典型的GMM为Terfenol—D,它的磁致伸缩系数一般微米级,因此磁致伸缩系数的测量属于微位移测量范围，对测量的要求较高。 二、原理与测试方法 1、磁致伸缩效应原理 铁磁体在外磁场的作用下被磁化后，其长度及体积发生了变化，，这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩现象是1842年由著名物理学家焦(Joule)发现的,故又称为焦耳效应。 图一磁畴磁化与磁致伸缩效应 当磁致伸缩材料未被磁化时，其内部的磁畴取向是随机的，由于材料内部磁畴的 方向和大小在宏观上相互抵消，所以其总体上的磁场强度H 为0.如图一（a ）所示。以长方形磁致伸缩材料为研究对象，当材料沿其L 边被磁化后，它的内部磁畴取向基本一致，如图一（b ）所示。这时，在宏观上对外其磁场强度为H1.但是，在材料被磁化的同时，材料本身的外形也发生了变化，沿磁化方向伸长了?L ，沿垂直磁化方向缩短了?W ，这就是磁致伸缩效应。 磁致伸缩现象的大小用磁致伸缩系数表示。在磁化过程中,磁体沿磁化方向 单位长度发生的伸缩量称为线磁致伸缩系数,用λ表示,表达式为 L L ?=λ 式中:L ?此为材料长度变化量；L 为材料原始长度。λ符号为正时,表示材料随磁场强度增强材料的长度是伸长的，称为正磁致伸缩；元符号为负时,表示材料随磁场强度增强材料的长度是缩短的,称为负磁致伸缩。 2、磁致伸缩系数的测量方法 目前国内外测量磁致伸缩系数的方法有电阻应变片法、电容法、光杠杆法、 干涉法等。其中电阻应变片法和电容法是比较完善的测量方式,另外,根据不同的测量原理,还有磁矩转动法、铁磁共振法、位移传递法等测量方式。下面以电阻应变法为例来说明磁致伸缩系数的测量。 图2 单臂工作电桥 将电阻应变片粘贴在超磁致伸缩材料上,再把贴有应变片的样品放入磁场中，在磁场的作用下样品产生磁致伸缩L L ?，磁致伸缩引起应变片的电阻R 发生 磁性材料基本磁化曲线的测量 一、实验目的 1. 通过实验了解铁磁材料基本磁化曲线测试的原理，熟悉磁锻、去磁的过程，以及用数字 磁通计测量磁通的方法，掌握用冲击法测量铁磁材料基本磁化曲线的方法； 2、通过实验熟练掌握数字磁通计的使用方法。 二、磁性材料的静态磁特性的测量原理 1.原理 磁性材料静态磁特性的测试，主要包括基本磁化曲线和磁滞回线及有关磁参量的测试。 静态磁特性测量的基本原理式根据电磁感应原理，当磁化回路中的磁化电流改变时，试样中的磁通量随之改变，在测量线圈两端产生感应电动势，根据冲击检流计偏转和磁化电流确定试样的直流磁性参数。 磁轭由高导磁材料制成，其截面积大于试样截面积50倍。磁轭与试样间的气隙极小，因此磁轭与试样构成的磁路中，可近似地认为磁势全部降落在试样上。根据磁路中的安培环路定律。试样中的磁场强度H 为 L I W H 1= （1） 式中L 为试样的有效长度。 根据电磁感应定理可知，当磁化电流增加I ?时，试样中的磁通量增加?Φ，则测试线圈W 2中的磁通链增加??，即?Φ=?2W ?。??将使数字磁通计产生偏转，其最大偏转值??。因此磁感应强度B 的增量为： S W S B 2? φ?= ?= ? （2） 式中S 为试样的截面积。 常用的测量装置见图1所示，图中： T ～220——去磁用交流调压器220/0~250V ，500V A ； A ——监视去磁电流用的交流安培表，选用量程1A ； E ——直流稳压电源； R 2——多档可选电阻； a.——磁轭。截面积为4900 mm 2； b.——试样。截面积S=100mm 2，试样的有效长度L=230 mm ； W 1——试样的磁化绕组。2000匝（由红色接线柱引出）； W 2——磁测试线圈。30匝（由黑色接线柱引出）； mA ——直流毫安表； Φ——数字磁通计，选用量程10mWb ； K 1、K 2、K 3一双刀双向开关； 铁磁材料的磁滞回线和磁化曲线 铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。如航天、通信、自动化仪表及控制等都无不用到铁磁材料(铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物均属铁磁物质)。因此，研究铁磁材料的磁化性质，不论在理论上，还是在实际应用上都有重大的意义。本实验使用单片机采集数据，测量在交变磁场的作用下，两个不同磁性能的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。 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。 图20—1起始磁化曲线和磁滞回线 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。 图20—3铁磁材料μ与H关系曲线 实验题目：铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 实验目的：认识铁磁物质的磁化规律；测定样品的基本磁化规律，作μ-H 曲线；计算样品的H c 、B r 、B m 和（H m ，B m ）等参数；测绘样品的磁滞回线，估算其磁带损耗。 实验原理：铁磁物质在外磁场作用下被强烈磁化，故磁导率μ很 大；在磁化场作用停止后，铁磁质可以保留磁化状态。 以B 为纵轴，H 为横轴作图，原点表示磁化之前物质 处于磁中性状态，B=H=0，当H 开始增加时，B 随之增加。如右上图中a ，称为起始磁化曲线。当H 从H m 减小时，B 沿滞后于H 的曲线SR 减小，这就是磁滞现象。当H=0时，B=B r 称为保留剩磁。当B=0时，H=-H c ，H c 称为矫顽力。 当磁场沿H m →0→-H c →-H m →0→H c →H m 次序变化时， 相应的B 沿一条闭合曲线变化（右上图），这个曲线就 是磁滞回线。若铁磁材料在交变电场中不断反复被磁 图一：磁滞回线 化、去磁化，那么材料在这个过程中要消耗额外的能 量，称为磁滞损耗，其值与磁滞回线面积成正比。 磁滞回线的顶点的连线称为基本磁化曲线（右下图）。 图二：基本磁化曲线 实验内容： 1、将仪器的连线连接好，开启仪器； 2、退磁后，将额定电压调至3.0V ，测量铁磁质的磁滞回线； 3、将电压从0.5V 逐渐调至3.0V ，依次得到B m 、H m ，从而得到铁磁质的基本磁化曲线。 实验数据： 表一：磁滞回线数据 基本磁化曲线： 表二：基本磁化曲线数据 数据处理： 磁滞回线 根据数据作图得： 从图中大致得到：B m=0.604T；H m=194.0A/m；B r=0.183T；H c=37.3A/m。基本磁化曲线 根据数据作图得：铁磁材料的滞回线和基本磁化曲线实验报告记录
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