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    用示波器测动态磁滞回线磁场测量实验报告

    时间：2020-11-02 11:44:59 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人 蒲公英阅读网手机站

    相关热词搜索：示波器 磁场 测量

    　铁磁质料的磁滞回线和根本磁化曲线

    　( ( 动态磁滞回线实验) )

    　磁性质料在科研和产业中有着遍及的应用，种类也相当繁多，因此种种质料的磁特性丈量，是电磁学实验中一个重要内容。磁特性丈量分为直流磁特性丈量和交换磁特性丈量。本实验用交换正弦电流对磁性质料进行磁化，测得的磁感到强度与磁场强度干系曲线称为动态磁滞回线，大概称为交换磁滞回线，它与直流磁滞回线是有区别的。可以证明：磁滞回线所困绕的面积便是使单位体积磁性质料重复磁化一周时所需的功，并且因功转化为热而体现为损耗。丈量动态磁滞回线时，质料中不但有磁滞损耗，另有涡流损耗，因此，同一质料的动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积稍大些。本实验重点学习用示波器显示和丈量磁性质料动态磁滞回线和根本磁化曲线的要领，了解软磁质料和硬磁质料交换磁滞回线的区别。

    　一 ．实验 目的

    　1. 了解磁性质料的磁滞回线和磁化曲线的看法，加深对铁磁质料的重要物理量矫顽力、剩磁和磁导率的理解。

    　2. 用示波器丈量软磁质料（软磁铁氧体）的磁滞回线和根本磁化曲线，求该质料的饱和磁感到强度mB 、剩磁rB 和矫顽力cH 。

    　3. 学习示波器的 X 轴和 Y 轴用于丈量交换电压时，各自分度值的校准。

    　4. 用示波器显示硬铁磁质料（模具钢 12 Cr ）的交换磁滞回线，并与软磁质料进行比力。

    　二 . 实验原理

    　（一）

    　铁磁物质的磁滞现象

    　铁磁性物质的磁化历程很庞大，这主要是由于它具有磁性的原因。一般都是通过丈量磁化场的磁场强度 H 和磁感到强度 B 之间干系来研究其磁化规律的。

    　如左图所示，当铁磁物质中不存在磁化场时， H 和 B 均为零，在 H B 图中则相当于坐标原点 O 。随着磁化场 H 的增加， B 也随之增加，但两者之间不是线性干系。当 H 增加到一定值时， B 不再增加或增加的十分迟钝，这说明该物质的磁化已到达饱和状态。mH 和mB 分别为饱和时的磁场强度和磁感到强度(对应于图中 A 点)。如果再使 H 逐步退到零，则与此同时 B 也逐渐减小。然而，其轨迹并不沿原曲线 AO ，而是

    　 1 沿另一曲线 AR 下降到rB ，这说明当H 下降为零时，铁磁物质中仍保存一定的磁性。将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到mH H   ，这时曲线到达A点(即反向饱和点)，然后，先使磁化场退回到 0  H ；再使正向磁化场逐渐增大，直到饱和值mH 为止。如此就得到一条与 A AR  对称的曲线 A R A   ,而自 A 点出发又回到 A 点的轨迹为一闭合曲线,称为铁磁物质的磁滞回线，此属于饱和磁滞回线。其中，回线和 H 轴的交点 Hc 和Hc称为矫顽力,回线与 B 轴的交点rB 和rB ,称为剩余磁感到强度。

    　（二）

    　利用示波器 视察 铁磁质料动态磁滞回线

    　电路原理图如图 2 所示。

    　将样品制成闭合环状，其上均匀地绕以磁化线圈1N 及副线圈2N 。交换电压 u 加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻1R ，将1R 两端的电压1u 加到示波器的 X 轴输入端上。副线圈2N 与电阻2R 和电容 C 串联成一回路，将电容 C 两端的电压2u 加到示波器的 Y 轴输入端，这样的电路，在示波器上可以显示和丈量铁磁质料的磁滞回线。

    　图 2 用示波器测动态磁滞回线的电路图 1. 磁场强度 H 的丈量

    　设环状样品的平均周长为 l ，磁化线圈的匝数为1N ，磁化电流为交换正弦波电流1i ,由安培回路定律1 1 iN Hl  ,而1 1 1i R u  ,所以可得

    　 X XR R 1 1

    　CR R 2 2

    　Y Yｕ 1 1

    　E 2

    　uc

    　c    

    　c  图1 1

    　磁滞回线和磁化曲线

    　 2 11 1R lu NH

    　(1) 式中，1u 为取样电阻1R 上的电压。由公式（1）可知，在已知1R 、 l 、1N 的情况下，测得1u的值，即可用公式（1）盘算磁场强度 H 的值。

    　2 2 ． 磁感到强度 B 的丈量

    　设样品的截面积为 S ，凭据电磁感到定律，在匝数为2N 的副线圈中感生电动势2E 为

    　 dtdBS N E2 2 

    　 (2) (2)式中，dtdB为磁感到强度 B 对时间 t 的导数。

    　若副线圈所接回路中的电流为2i ，且电容 C 上的电量为 Q ，则有

    　 CQi R E  2 2 2

    　 (3) 在（3）式中，考虑到副线圈匝数不太多，因此自感电动势可忽略不计。在选定线路参数时，将2R 和 C 都取较大值，使电容 C 上电压降2 2 Ci RCQu   ,可忽略不计，于是（3）式可写为 2 2 2i R E 

    　 (4) )

    　把电流dtduCdtdQiC 2代入（4）式得

    　dtduC R EC2 2

    　(5) 把（5）式代入（2）式得 S

    　dtduC RdtdBS NC2 2 

    　在将此式两边对时间积分时，由于 B 和Cu 都是交变的，积分常数项为零。于是，在不考虑负号（在这里仅仅指相位差   ）的情况下，磁感到强度

    　 S NCu RBC22

    　 (6) 式中，2N 、 S 、2R 和 C 皆为常数，通过丈量电容两端电压幅值Cu 代入公式（6），可以求得质料磁感到强度 B 的值。

    　 当磁化电流变革一个周期，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，以后每个周期

    　 3 都重复此历程，形成一个稳定的磁滞回线。

    　3 3 ． B 轴（Y Y 轴）和 H 轴（X X 轴）的校准

    　 虽然示波器 Y 轴和 X 轴上有分度值可读数，但该分度值只是一个参考值，存在一定误差，且 X 轴和 Y 轴增益可微调会改变分度值。所以，用数字交换电压表丈量正弦信号电压，并且将正弦波输入 X 轴或 Y 轴进行分度值校准是须要的。

    　 将被测样品(铁氧体)用电阻替代，从 R 1 上将正弦信号输入 X 轴，用交换数字电压表丈量R 1 两端电压 U 有效 ，从而可以盘算示波器该档的分度值(单位 V/cm),见图 3。须注意: 1、数字电压表丈量交换正弦信号，测得得值为有效值有效U 。而示波器显示的该正弦信号值为正弦波电压峰-峰值峰 峰U 。两者干系是

    　有效 峰－峰 ＝U U 2 2

    　（7）

    　2、用于校准示波器 X 轴档和 Y 轴档分度值的波形必须为正弦波，不可用失真波形。

    　用上述要领可以对示波器 Y 轴和 X 轴的分度值进行校准。

    　 三． 实验仪器及装置

    　动态磁滞回线实验仪由可调正弦信号产生器、交换数字电压表、示波器、待测样品（软磁

    　 4 铁氧体、硬磁 Cr12 模具钢）、电阻、电容、导线等组成。其外型结构如图 4 所示。

    　 图 图 4 4

    　动态磁滞回线实验仪外观

    　四 ． 实验内容

    　必做实验

    　（一）

    　视察和丈量软磁铁氧体的动态磁滞回线

    　1．按图 2 要求接好电路图。

    　 2．把示波器光点调至荧光屏中心。磁化电流从零开始，逐渐增大磁化电流，直至磁滞回上海复旦天欣科教仪器有限公司 FD- - BH- - 2 动态磁滞回线实验仪

    　模具钢

    　铁 氧体 体 CH 1 1 (X 轴) )

    　C C

    　R R 1 1

    　R 2 R R 1 1

    　C R R 2 2

    　N N 1 1

    　N N 2 2

    　N 1

    　N 2

    　N 1 N 2 Y Y

    　X X

    　Hz

    　FD- - BH- -2 2 动态磁滞回线实验仪

    　mV

    　电源 交换电压丈量 功率信号输出 幅度调治 上海复旦天欣科教仪器有限公司 信号输出 频率调治 CH 2 2 (Y 轴) )

    　 5 线上的磁感到强度 B 到达饱和 (即 H 值到达足够高时，曲线有变平坦的趋势，这一状态属饱和)。磁化电流的频率 f 取 50Hz 左右。示波器的 X 轴和 Y 轴分度值调解至适当位置，使磁滞回线的mB 和mH 值尽可能布满整个荧光屏，且图形为不失真的磁滞回线图形。

    　 3．记录磁滞回线的顶点mB 和mH ，剩磁rB 和矫顽力cH 三个读数值（以长度为单位），在作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。

    　 4．对 X 轴和 Y 轴进行校准。盘算软磁铁氧体的饱和磁感到强度mB 和相应的磁场强度mH 、剩磁rB 和矫顽力cH 。磁感到强度以 T 为单位，磁场强度以 m A/ 为单位。

    　 5. 丈量软磁铁氧体的根本磁化曲线。现将磁化电流慢慢从大至小，退磁至零。从零开始，由小到大丈量差别磁滞回线顶点的读数值iB 和iH ，用作图纸作铁氧体的根本磁化曲线( H B 干系)及磁导率与磁感到强度干系曲线( H   曲线)，其中HB  。

    　 ( ( 二 ) 视察硬磁 2 Cr12 模具钢( ( 铬钢) ) 质料的动态磁滞回线

    　1. 将样品换成 Cr12 模具钢硬磁质料，经退磁后，从零开始电流由小到大增加磁化电流，直至磁滞回线到达磁感到强度饱和状态。磁化电流频率约为 f=50Hz 左右。调治 X 轴和 Y 轴分度值使磁滞回线为不失真图形。(注意硬磁质料交换磁滞回线与软磁质料有明显区别，硬磁质料在磁场强度较小时，交换磁滞回线为椭圆形回线，而到达饱和时为近似矩形图形，硬磁质料的直流磁滞回线和交换磁滞回线也有很大区别。(见参考资料 7)

    　 2. 对 X 轴和 Y 轴进行校准，并记录相应的mB 和mH ,rB 和cH 值，在作图纸上近似画出硬磁质料在到达饱和状态时的交换磁滞回线。

    　五 ．实验数据例（仅供参考）

    　铁氧体根本磁化曲线与磁滞回线的丈量 丈量铁氧体的根本磁化曲线时，先将样品退磁，然后从零开始不绝增大电流，记录各磁滞回线顶点的 B 和 H 值，直至到达饱和。注意由于根本磁化曲线各段的斜率并不相同，一条曲线至少 20 余个实验数据点，实验结果如表 1 所示。（本示波器 cm div 00 . 1 1  ，估读至 4 / 1 小格，即 cm 05 . 0 ）。

    　表 1 软磁铁氧体根本磁化曲线的丈量 1RU / / cm

    　 H/ (A/ m ) ) CU / / cm

    　 B/ mT

    　 1RU / / cm

    　 H/ (A/ m ) )

    　CU / / cm

    　 B/ mT

    　 0.20

    　4.1 0.10 15.9

    　2.40

    　49.8

    　1.90

    　302

    　 6 0.40

    　8.3 0.25 39.8

    　2.60

    　54.0

    　1.95

    　310

    　0.60

    　12.5 0.45 71.6

    　2.80

    　58.1

    　2.00

    　318

    　0.80

    　16.6 0.65 103

    　3.00

    　62.3

    　2.05

    　326

    　1.00

    　20.8 0.90 143

    　3.20

    　66.4

    　2.10

    　334

    　1.20

    　24.9 1.05 167

    　3.40

    　70.6

    　2.15

    　342

    　1.40

    　29.1 1.20 191

    　3.60

    　74.7

    　2.15

    　342

    　1.60

    　33.2 1.40 223

    　3.80

    　78.9

    　2.20

    　350

    　1.80

    　37.3 1.55 247

    　4.00

    　83.0

    　2.20

    　350

    　2.00

    　41.5 1.65 263

    　4.20

    　87.2

    　2.20

    　350

    　2.20

    　45.7 1.80 287

    　4.40

    　91.3

    　2.20

    　350

    　并且记录得到矫顽力CH 在示波器上显示 cm 55 . 0 ，剩磁rB 在示波器上显示 cm 00 . 1 ，饱和磁感到强度在示波器上显示 cm 20 . 2 。

    　 凭据记录数据可以描画出样品的磁化曲线：

    　0501001502002503003504000 20 40 60 80 100H(A/m)B(mT) 铁氧体环状样品，外径 mm 0 . 381  ，内径 mm 0 . 232  ，高H = mm 0 . 10 ，平均周长m l32 110 8 . 95 2 / ) (        ，磁环截面积2 62 110 75 2 / ) ( m l SH       。

    　示波器 X 轴定标：

    　正弦波峰峰值在示波器上读为 3.00cm，用交换数字电压表丈量 R 1 两端电压得有效值为21.1mV,U峰 - 峰 =22 .U有 效 =22 × 21.1mV=42.2 2 mV 。

    　所 以 X 轴 灵 敏 度

    　 7 =00 . 32 2 . 42=19.89mV 示波器 Y 轴定标：

    　峰峰值为 4.60cm，用交换数字电压表丈量电容两端电压 U 有效 =16.2mV。

    　U 峰-峰 =2 2 .U 有效 =2 2 ×16.2mV。所以 Y 轴灵敏度=60 . 42 . 16 2 2 =9.96mV。

    　低级线圈和次级线圈匝数相等，即 匝 2002 1  N N ，电阻   00 . 21R ,   3210 0 . 51 R ，电容 F C610 70 . 4  ,所以 磁场强度 ) m / A ( U 76 . 20 U00 . 2 10 8 . 9501989 . 0 200RUlNIlNH1 11R R31R1 1   

    　磁感到强度   mT Uc T U U US NC RBC C C2 . 159 ) ( 1534 . 010 75 20000996 . 0 10 70 . 4 10 0 . 5166 322       

    　凭据 上面记录数据得到：矫顽力

    　m / A 4 . 11 505 . 0 76 . 20 H C   

    　 剩磁

    　mT 159 2 . 159 00 . 1 B r   

    　 饱和磁感到强度

    　mT 350 20 . 2 2 . 159 B m   

    　 六． 思考题

    　1.

    　在公式 (3) 中，2 2 Ci R U  时可将CU 忽略，2 2 2i R E  。

    　考虑一下，由这项忽略引起的不确定度有多大？

    　2. 在丈量 H B 曲线历程，为何不能改变 X X 轴和 Y Y 轴的分度值？

    　3. 示波器显示的正弦波电压值与交换电压表显示的电压值有何区别？两者之间如何换算？

    　4. 硬磁质料的交换磁滞回线 与 软磁质料的交换磁滞回线有何区别？

    　附录 ：

    　软磁质料和硬磁质料介绍

    　磁滞回线所围面积很小的质料称为软磁质料。这种质料的特点是磁导率较高，在交换下使用时磁滞损耗也较小，故常作电磁铁或永磁铁的磁轭以及交换导磁质料。如电工纯铁、坡莫合金、硅钢片、软磁铁氧体等都属于这一类。磁滞回线所围面积很大的质料称为硬磁质料，其特征经常用剩余磁感到强度rB 和矫顽力cH ，此两个特定点数值体现。rB 和cH 大的质料可作为永久磁铁使用。有时也用 BH 乘积的最大值max) (BH 权衡硬磁质料的性能，称为最大磁能，硬磁质料典典范子是种种磁钢合金和永久钡铁氧体。

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