当前位置：文档库 › 8+《测磁滞回线》——用示波器观测动态磁滞回线讲义(教705)

8+《测磁滞回线》——用示波器观测动态磁滞回线讲义(教705)

用示波器观测动态磁滞回线

【实验简介】

磁性材料应用广泛，从常用的永久磁铁、变压器的铁芯到录音、录像、计算机存储用的磁带、磁盘等都采用磁性材料。铁磁材料是最常见和最常用的磁性材料。它分为硬磁和软磁两大类，其根本区别在于矫顽力的大小不同。硬磁材料的剩磁和矫顽力大，因而磁化后，其磁感应强度可长久保持，适宜做永久磁铁。软磁材料的矫顽力小，但磁导率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，故广泛用于电机、变压器、电器和仪表制造等工业部门。磁滞回线和磁化曲线反映了铁磁材料的主要特征。本实验将采用动态法测量磁滞回线。

【实验目的】

1. 掌握利用示波器测量铁磁材料动态磁滞回线的方法；

2. 了解铁磁性材料的动态磁化特性；

3. 了解磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力等物理量的理解。

【实验仪器与用具】

磁特性综合测量实验仪（包括正弦波信号源，待测样品及绕组，积分电路所用的电阻和电容）。双踪示波器，直流电源，电感，数字多用表。

磁特性综合测量实验仪主要技术指标如下：

1)样品1：锰锌铁氧体，圆形罗兰环，

磁滞损耗较小。平均磁路长度l=0.130 m，

铁芯实验样品截面积S=1.24×10-4 m2，线圈

匝数：

N=150匝，2N=150匝；3N=150匝。

2)样品2：EI型硅钢片，磁滞损耗较大。

平均磁路长度l=0.075 m，铁芯实验样品截

面积S=1.20×10-4 m2，线圈匝数：

N=150匝，

N=150匝；3N=150匝。

3) 信号源的频率在20～200 Hz 间可调；

可调标准电阻1R 、2R 均为无感交流电阻，1

R 的调节范围为0.1～11 Ω；2

R 的调节范围为1～110 kΩ。标准电容有0.1 μF ～11 μF 可选。

【实验原理】

1．铁磁材料的磁化特性

把物体放在外磁场H 中，物体就会被磁化。其内部产生磁场。设其内部磁化强度为M ，磁感应强度为B ，可以定义磁化率m χ和相对磁导率r μ表示物质被磁化的难易程度：

H M m =

χ H B r 0μμ=

其中，0μ是真空磁导率（270/104A N -?=πμ）。由于

)(0H M B +=μ，因此m r χμ+=1。物质的磁性按磁化率可

以分为抗磁性、顺磁性和铁磁性三种。抗磁性物质的磁化率为负值，通常在6510~10

--的量级，且

几乎不随温度变化；顺磁性物质的磁化率通常

为4

-之间，且随温度线性增大；而铁磁性

210

10-

物质的磁化率通常大于1，且随温度增高而变小。铁磁性材料主要是铁、钴、镍及他们的合金和氧化物，以及稀土与过渡族元素组成的合金等。由于铁磁材料的磁导率很高，常被用作电感、电磁铁、变压器的铁芯材料，以增大线圈中的磁通量。

除了磁导率高以外，铁磁材料还具有特殊的磁化规律。对于一个处于磁中性状态（0=H，且B）的铁磁材料加上由小变大的磁场H进行磁0

化时，磁感应强度B随H的变化曲线称为起始磁化曲线，它大致分为三个阶段：（1）可逆磁化阶段，当H很小时，B随H变化可逆，见图1中的OA段，若减小H，B会沿AO返回至原点；（2）不可逆磁化阶段，见图1中AS段，若减

小H ，B 不会沿SA 返回

（比如当磁场从D 点的D H 减小到H H D ?-，再从H H D ?-增大到D

H ，H B -轨迹会是图中点线所示的回线样式）；（3）饱和磁化阶段，见图1中SC 段，在S 点材料已经被磁化至饱和状态，继续增大H ，磁化强度M 不再增大，由于)(0

H M B +=μ，B 会随H 线形增大，但增量极小。图中S H 和S

B 表示M 刚刚达到饱和值时的H 和B 的值，分别称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度。

如果将铁磁材料磁化到饱和状态（图1中S 点）后再减小磁场H ，那么磁感应强度B 会随H 减小而减小，但并不沿起始磁化曲线SAO 减小，而是沿着SP 这条更缓慢的曲线减小。当H 减小到0时，B 并不为0，H 称为矫顽力C

H 。当反向磁场达到S

H -，铁磁材料达到反向饱和磁化状态S '。而若H 从反向饱和值S

H -变到0，再增大至正向饱和值S H 时，B 会沿曲线S Q P S '''返回至正向饱和

值S

B 。曲线S Q P S '''与S SPQ '以原点O 成中心对称，它们形成的闭合曲线S Q P S SPQ '''叫做饱和磁滞回线。饱和磁滞回线反映了磁化场由S H 变到S

H -再变回到S

H 往复一周的变化过程中，B 随H 的往复变化情况。 H

H S S C

B S B r P D

ΔB ΔH A O Q Q H C -H C

S P -B r

图1 铁磁材料的起始磁化曲线和饱和磁滞回线

示意图

由于铁磁材料加上磁场H 后产生的B 不仅与H 有关，也与磁化历史有关，所以在研究铁磁材料的起始磁化性质时，通常先对铁磁材料进行退磁处理，使之达到磁中性状态，一种较为简

便易行的方法是交流退磁。具体做法是，对材料加交变磁化场，先用大幅度励磁电流使它饱和磁化，再在不断改变磁场方向的过程中逐渐减小励磁电流幅度至0使它退磁。

如果磁场在任意[m H ，m

H ]范围内作循环变化，那么B 也会做循环变化，形成一个闭合的磁滞回线。磁滞回线的面积对应于循环磁化一周所发生的能量损耗。对材料进行准静态磁化时，损耗来自于磁滞损耗。对材料进行交流动态磁化时，除了有磁滞损耗外，还会有涡流损耗和剩余损耗。一般由金属和合金所组成的金属磁性材料电阻率低，在高频磁化时其涡流损耗大，而由金属氧化物组成的铁氧体磁性材料电阻率高，高频条件下其涡流损耗很小。

动态磁滞回线形状与磁化场频率和幅度都有关。在同一频率下，交变磁场幅度不同时，动

态磁滞回线也会不同。将磁场幅值从0增到S H ，这些动态磁滞回线的顶点（m H ，m

B ）的连线称为动态磁化曲线（见图2）。在这条线上任意一点的m B 和对应m H 的比值m m

m H B 0μμ=称为振幅磁导率。对

于工作在幅度较大的交变磁场下的电感铁芯，比如变压器铁芯，振幅磁导率是衡量其性能的一个重要指标。 H

H S B

B S

B r

H C H m H m B m

B m

图2 铁磁材料的动态磁滞回线和动态磁化曲线

示意图

当交流磁化场幅度很小时，铁磁材料的磁化

过程是可逆的，磁滞回线退化成一条斜线（见图2中原点附近的小线段）。对于没有直流偏置磁场的情况，这个过程对应于起始磁化曲线起始的可逆阶段（图1中的OA 段），可以定义起始磁导率为H B

H i 00lim μμ→=，它表征了起始可逆磁化阶

段的磁化性能。用于弱磁场中的材料，例如通讯器件上应用的软磁材料，其磁化性能主要由i μ来表征。

有的电感铁芯工作在既有直流偏置又有交流弱磁场的情况下，比如在图1中的D 点附近以弱交变磁场循环磁化，当磁场足够弱时回线会退化成一条斜线，此时，交流弱磁场引起的磁感应强度变化B ?与磁场强度变化值H ?（H ?趋于0）之比决定了电感性能，相关的磁导率称为可逆磁导率，定义为H B H R ??=→?00lim μμ

。直流偏置磁场可

以影响

的大小，这一原理被应用在磁放大器的R

设计中。

2．动态磁滞回线的测量

测量动态磁滞回线的原理电路如图3所示。

环形铁芯上绕有三组线圈，线圈1为交流励磁

线圈，线圈2为感应线圈，线圈3为直流励磁

线圈。线圈1接交流正弦信号源，根据安培环

路定理，磁场强度正比于线圈中的电流，因此

也正比于电阻

R上的电压1R u。线圈2接RC积分

电路，磁感应强度正比于线圈2上感应电压

u的

时间积分，因此也正比于积分电容C上的电压

u。将1R u和C u从示波器两通道输入，在示波器X-Y C

显示模式下，就可以看到动态磁滞回线。测有

直流偏置磁场下的可逆磁导率时，需要将线圈3

接直流电源，用电表测量电流计算磁场强度，

要能有效调节励磁电流；为了减小交流磁场在

线圈3中产生的感应信号对直流稳定性的影响，需要在回路中串入一只大电感L 。 A CH2u =u ~

CH1

x R1R 1

N 1N 3

N 22C R 3

图3 用示波器测量动态磁滞回线电路图

交流磁场强度H 的测量原理。由安培环路定理，磁场强度H 正比于励磁电流1

i ： 11i l N H =

其中1

N 是线圈1的匝数，l 是磁环的等效磁路长度。由于111R u i

R =，因此H 也与1R u 成正比 111R u lR N H = （1）

交流磁感应强度B 的测量原理。由法拉第电磁

感应定律，线圈2上的感应电压2

u 来源于线圈2中的全磁通的变化

dt SdB N dt d N u 2

22-=Φ-=

其中2

N 是线圈2的匝数，Φ是单匝线圈中的磁通量，S 是单匝线圈环绕的面积（对绕在磁芯上的线圈相当于磁芯的横截面积）。如果T C R >>2

（T 是外磁场周期），那么电容C 上的电压远小于总电压2u ，电阻2R 上的电压2R u 近似等于总电压2

u ，电容C 上的电压为：

???≈===dt u CR dt u CR dt i C C Q u R C 22221112

其中Q 是电容器极板上的电荷量，2

i 是线圈2中的电流。交流磁感应强度B 正比于C

u C u S N C R B 22= （2）

【实验内容】

1．观测样品1（铁氧体）的饱和动态磁滞回线

（1）测量频率f=100 Hz时的饱和磁滞回线。取

R=2.0 Ω，2R=50 kΩ，C=10.0 μF。示波

器选择X-Y模式。调节励磁电流大小及示波器的垂直、水平位移旋钮，在示波器显示屏上调出一个相对于坐标原点对称的饱和磁滞回线。

测量并画出饱和磁滞回线的H

B-图。上下半支各

选取9个以上的测量点。测量

B，r B，C H。可通

过示波器光标（cursor）来读数。

（2）保持信号源幅度不变，在仪器频率可调范围内，观测不同频率时的饱和磁滞回线。用不同频率时，磁滞回线有何变化？为什么？

保持

R，C R2不变，测量并比较f=95 Hz和150 Hz

时的

B和C H。

（3）在频率f=50 Hz下，比较不同积分常量取值对李萨如图的影响。固定励磁电流幅度

I=0.1 A，1R=2.0 Ω，改变积分常量C R2。调节C R2 m

分别为0.01 s、0.05 s、0.5 s，观察并粗略画出

不同积分常量下C R u u -1李萨如图形的示意图。请

思考为什么积分常量会影响C R u u

-1李萨如图形的形状？积分常量是否会影响真实的H B -磁滞回

线的形状？ 2．测量样品1（铁氧体）的动态磁滞回线。（测量前需要对样品进行退磁。）

（1）在f =100 Hz 时，调出不同幅度的动

态磁滞回线，测量并画出动态磁化曲线。取1R =2.0 Ω，2R =50 k Ω，C =10.0 μF 。磁场幅度m

H 从0到S H 单调增加，要求至少20个测量点。

（2）根据测量数据计算并画出m m H -μ

曲线。

（3）测定起始磁导率i μ。 3．观察不同频率下样品2（硅钢）的动态

磁滞回线。

取1R =2.0 Ω，2

R =50 k Ω，C =10.0 μF 。在给定交变磁场幅度m

H =400 A/m 下，测量f =20 Hz ，40 Hz ，60 Hz 的m B ，r B ，C

H 。 *4．测量样品1（铁氧体）在不同直流偏置

磁场H 下的可逆磁导率。（测量前需要先对样品

进行退磁。）

交流磁场频率取f =100 Hz 。电路参数设置

为：1R =2.0 Ω，2

R =20 k Ω，C =2.0 μF 。直流偏置磁场必须从0到S

H 单调增加。测量时，为保证精度，需调交流信号源幅度使交流磁场H ?足够小，并调节示波器，使李萨如图充分放大，以观测磁化是否可逆。画出H R -μ

曲线（至少10个

点）。

【思考题】 1. 铁磁材料的动态磁滞回线与静态磁滞

回线在概念上有什么区别？铁磁材料动态磁滞回线的形状和面积受那些因素影响？

2. 铁氧体和硅钢材料的动态磁化特性各有

什么特点？

3. 本实验中，电路参量应怎样设置才能

保证C R u u -1所形成的李萨如图形正确反映材料

动态磁滞回线的形状？

【参考文献】

[1] 吕斯骅，段家忯，张朝晖。新编基础物理实验（第二版），北京：高等教育出版社，2013。