铁磁材料的磁滞回线和磁化曲线

2011-06-08 22:03:17来源: 互联网
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。

  【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→-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

  

  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

  

  (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

  

  因此,

  

  (20—2)

  式(20—2)中的N1,L,R1均为已知常数,所以由U1可确定H。

  

磁滞回线测量线路

  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

  

  (20—3)

  由式(20—3)可推导出

  

  (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

  

  (20—5)

  由式(20—4)和式(20—5)可得

  

  (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。

  【实验要求】

  (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。

  

  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由小到大一个套一个的一簇磁滞回线,借助长余辉示波器,可观察到该曲线的轨迹。

  (5)观察比较样品1和样品2的磁化性能。

  (6)测μ~H曲线:仔细阅读测试仪的使用说明,连接实验仪和测试仪之间的连线。开启电源,对样品进行退磁后,按测试仪使用说明依次测定U=0.5,1.0,…,3.0V时的10组Hm和Bm值,作μ~H曲线。

  (7)令U=3.0V,R1=2.5Ω测定样品1的Bm、Br,Hc等参数。

  (8)取实验要求(7)中的H和其相应的B值,用坐标纸绘制B~H曲线,实验数据点数可取32~40点即每象限8~10点。

关键字:铁磁材料

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0608/article_9712.html
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