磁滞回线-实验讲义

用微机型磁滞回线测试仪研究铁磁材料的

磁滞回线和基本磁化曲线

磁性材料应用广泛，从常用的永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存贮用的磁带、磁盘等都采用磁性材料。磁滞回线和基本磁化曲线反映了磁性材料的主要特征。通过实验研究这些性质不仅能掌握用示波器观察磁滞回线以及基本磁化曲线的基本测绘方法，而且能从理论和实际应用上加深对材料磁特性的认识。

铁磁材料分为硬磁和软磁两大类，其根本区别在于矫顽磁力H C 的大小不同。硬磁材料的磁滞回线宽，剩磁和矫顽磁力大（达120~2⨯104A /m 以上），因而磁化后，其磁感应强度可长久保持，适宜做永久磁铁。软磁材料的磁滞回线窄，矫顽磁力H C 一般小于120A /m ，但其磁导率和饱和磁感强度大，容易磁化和去磁，故广泛用于电机、电器和仪表制造等工业部门。磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料的重要特性，也是设计电磁机构作仪表的重要依据之一。

【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 C 、B r 、B m （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1中的原点0表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B =H =0，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“0”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 =0时，B 不为零，而保留剩磁B r 。

当磁场反向从0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 →0→-H C →-H S →0→H C →H S 次序变化，相应的磁感应强度B 则沿闭合曲线SRC S 'R 'C '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。

应该说明，当初始态为H =B =0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，由此可近似确定其磁导率μ=B ，因B 与H 非线性，故铁H

磁材料的μ不是常数而是随H 而变化（如图3所示）。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。

可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图4为常见的两种典型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽、矫顽力大、剩磁强，非常适合于用来制造永磁体。观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图5所示。

N 为励磁绕组，待测样品为EI 型矽钢片，R 1n 为用来测量磁感应强度B 而设置的绕组。

为励磁电流取样电阻，设通过N 的交流励磁电流为i ，根据安培环路定律，样品的磁化场强： Ni L 为样品的平均磁路 L

U

i =1 R （1） （1）式中的N 、L 、R 1均为已知常数，所以可以根据1来确定H 的数值。

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B 是测量绕组n 和R 2C 电路给定的，根据法 H =

ε2=n

d ϕdt 拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通ϕ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：

1⎰ε2dt n

ϕ1⎰ε2dt （2） B ==S nS

S 为样品的截面积。 ϕ=

如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为：

ε2=i 2∙R 2+U 2

式中i 2为感生电流，U 2为积分电容C 两端电压设在∆t 时间内，i 2向电容C 的充电电

Q Q ∴ ε2=i 2R 2+ C 2C

Q 如果选取足够大的R 2和C ，使i 2R 2>>，则：ε2=i 2∙R 2 C

dU 2dQ dU 2∵i 2= （3） =C ∙ ∴ε2=C ∙R 2∙dt dt dt 量为Q ，则： U 2=

由（2）、（3）两式可得：

（4） 上式中C , R 2, n 和S 均为已知常数。所以可以根据U 2来确定B 。

综上所述，将图5中的U 1和U 2分别加到FB 310C 微机型磁滞回线实验仪的信号输入端“U H (X ) ”和“U B (Y ) ”, FB 310C 实验仪的USB 接口与PC 机的USB 接口连接, 可观察样品的B -H 曲线；可测定样品的饱和磁感应强度B S 、剩磁B r 、矫顽力H D 、磁滞损耗（BH ）以及磁导率μ等参数。

【实验仪器】

FB310A 型磁滞回线实验仪、FB310C 微机型磁滞回线组合实验仪、计算机（自备）、 实验专用配套软件（光盘1张）、示波器（自备、几组共用）

【实验内容】

一. 用FB 310A 磁滞回线实验仪、示波器观察磁滞回线和磁化曲线：

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R 1=2. 5Ω，“U 选择”置于0位。U H 和U 2（即U 1和U 2）分别接示波器的“X 输入”和“Y 输入”，插孔上为公共端。

2．样品退磁：

开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U 选择”旋钮，令U 从0增至3V ，然后逆时针方向转动旋钮，将U 从最大值降为0，其目的是消除剩磁，确保样品处

于磁中性状态，即B =H =0，如图6所示。

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 ，并分别调节示波器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（若图形顶部出现编织状的小环，如图7所示，这时可降低励磁电压U 予以消除）。注意：在观察时，变压器次级的接地，必须与公共端“⊥”可靠地连接。

4．观察基本磁化曲线：

按步骤2对样品进行退磁，从U =0开始，逐档提高励磁电压，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。这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线，借助长余辉示波器，便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．令U =3. 0V , R 1=2. 5Ω测定样品1的B m , B r H C 和[BH ]等参数。

7．取步骤7中的H 和其相应的B 值，用坐标纸绘制B ~H 曲线。（如何取数? 取多少组数据? 自行考虑），并估算曲线所围面积。

二．用FB310C 微机型磁滞回线组合实验仪研究铁磁材料的特性参数：

1. 在计算机上安装相关专用软件。

2. 把FB310C 微机型磁滞回线组合实验仪与计算器连接。

3. 在计算机控制下，进行数据采集，在屏幕上画出磁滞回线和磁化曲线。

4. 存储实验结果并对实验结果进行分析研究。