铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁物质。在20世纪初期，铁磁材料主要用在电机制造业和通讯器件中，如发电机、变压器和电表磁头，而自20世纪50年代以来，随着电子计算机和信息科学的发展，应用铁磁材料进行信息的存储和纪录，例如现以成为家喻户晓的磁带、磁盘，不仅可存储数字信息，也可以存储随时间变化的信息；不仅可用作计算机的存储器，而且可用于录音和录像，已发展成为引人注目的系列新技术，预计新的应用还将不断得到发展。因此，对铁磁材料性能的研究，无论在理论上或实用上都有很重要的意义。

磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主要特征。本实验仪用交流电对铁磁材料样品进行磁化，测绘的B-H曲线称为动态磁滞回线。测量铁磁材料动态磁滞回线的方法很多，用示波器测绘动态磁滞回线具有直观、方便、迅速及能在不同磁化状态下（交变磁化及脉冲磁化等）进行观察和测绘的独特优点。

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．掌握铁磁材料磁滞回线的概念。

3．掌握测绘动态磁滞回线的原理和方法。

4．测定样品的基本磁化曲线，作μ－H曲线。

5．测定样品的HC、Br、Hm和Bm等参数。

6．测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

二、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。其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率μ=B/H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。

将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化，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所示，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HS时，B达到饱和值BS，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HS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。

图1

铁磁物质B与H的关系曲线

图2

铁磁材料的基本磁化曲线

当磁场反向从O逐渐变至－HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，可以施加反向磁场。当反向磁场强度等于某一定值HD时，磁感应强度B值才等于0，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，曲线RD称为退磁曲线。如再增加反向磁场的磁场强H，铁磁材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态，逐渐减小反向磁场的磁场强度至0时，B值减小为Br。这时再施加正向磁场，B值逐渐减小至0后又逐渐增大至饱和状态。

图1还表明，当磁场按HS→O→HC→-HS→O→HD´→HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化，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。

应该说明，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。

基本磁化曲线上点与原点连线的斜率称为磁导率，由此可近似确定铁磁材料的磁导率，它表征在给定磁场强度条件下单位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，因B与H非线性，铁磁材料的磁导率μ不是常数，而是随H而变化，如图3所示。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µ-H曲线的特点。另外铁磁材料的相对磁导率µ0=B/B0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

铁磁材料µ与H并系曲线

图

不同铁磁材料的磁滞回线

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、矫顽力小(<102A/m)、剩磁和磁滞损耗均较小，磁滞特性不显著，可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性，这种材料容易磁化，也容易退磁，是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大（>102A/m），剩磁强，磁滞回线所包围的面积肥大，磁滞特性显著，因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁，并且这种剩磁不易消除，可用来制造永磁体。

2．测绘磁滞回线原理

磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分。

2.1实验仪

配合PC机，即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线。

它由励磁电源、铁磁材料样品、电路板以及实验接线图等部分组成。

图5

磁滞回线实验仪的实验接线示意图

励磁电源由220V，50Hz的市电经变压器隔离、降压后供试样磁化。电源输出电压共分11档，即0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V，各档电压通过安置在电路板上的波段开关实现切换。

铁磁材料样品1和样品2为尺寸（平均磁路长度L和截面积S）相同而磁性不同的两只EI型铁芯，两者的励磁绕组匝数N和磁感应强度B的测量绕组匝数n亦相同。

N＝50，n＝150，L＝60mm，S＝80mm2。

电路板上装有电源开关、样品1和样品2、励磁电源“U选择”和测量励磁电流（即磁场强度H）的取样电阻“R1选择”、以及为测量磁感应强度B所设定的积分电路元件R2、C2等。

以上各元器件（除电源开关）均已通过电路板与其对应的锁紧插孔连接，只需采用专用导线，便可实现电路连接。

此外，设有电压UB（正比于磁感应强度B的信号电压）和UH（正比于磁场强度H的信号电压）的输出插孔，用以连接示波器，观察磁滞回线波形和连接测试仪作定量测试用。

2.2测试仪

图6所示为智能磁滞回线测试仪原理框图，测试仪与实验仪配合使用，能定量、快速测定铁磁性材料在反复磁化过程中的H和B之值，并能给出其剩磁、矫顽力、磁滞损耗等多种参数。

图6

智能磁滞回线测试仪原理框图

智能磁滞回线测试仪面板如图3所示，下面对测试仪使用说明作介绍

1）

参数

L

待测样品平均磁路长度

L＝60mm。

S

待测样品横截面积

S＝80mm2。

N

待测样品励磁绕组匝数

N＝50。

n

待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数n＝150。

R1

励磁电流iH取样电阻，阻值0.5～5Ω。

R2

积分电阻，阻值10K。

C2

积分电容，容量20µF。

UHC

正比于H的有效值电压，供调试用。电压范围（0～1V）。

UBC

正比于B的有效值电压，供调试用。电压范围（0～1V）。

图3

智能磁滞回线测试仪面板图

2）瞬时值H与B的计算公式:

3）测量准备

先在示波器上将磁滞回线显示出来，然后开启测试仪电源，再连接测试仪和实验仪之间的信号连线。

4）测试仪按键功能

（1）功能键：用于选取不同的功能，每按一次键，将在数码显示器上显示出相应的功能。

（2）确认键：当选定某一功能后，按一下此键，即可进入此功能的执行程序。

（3）数位键：在选定某一位数码管为数据输入位后，连续按动此键，使小数点右移至所选定的数据输入位处，此时小数点呈闪动状。

（4）数据键：连续按动此键，可在有小数点闪动的数码管输入相应的数字。

（5）复位键（RESET）：开机后，显示器将依次巡回显示P…8…P…8…的信号，表明测试系统已准备就绪。在测试过程中由于外来的干扰出现死机现象时，应按此键，使仪器进入或恢复正常工作。

5）测试仪操作步骤

（1）所测样品的N与L值

按RESET键后，当LED显示P…8…P…8…时，按功能键，显示器将显示：

H

B

千匝

百匝

十匝

个匝

百毫米

十毫米

个毫米

分毫米

这里显示的N＝50匝、L＝60mm为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

（2）所测样品的n与S值

按功能键，将显示：

H

B

千匝

百匝

十匝

个匝

百毫米2

十毫米2

个毫米2

分毫米2

这里显示的n＝150匝、S＝80mm2为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

（3）电阻R1值和H与B值的倍数代号

按功能键，将显示：

H

B

1Ω

0.1Ω

0.01Ω

H与B值的倍数代号

这里显示的R1＝2.5Ω、H与B值的倍数代号3为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

注：H与B值的倍数是指其显示值需乘上的倍数

倍数代号

倍数及单位

×10安/米

×102安/米

H值倍数

×103安/米

×104安/米

×105安/米

倍数代号

倍数及单位

×10-1

特斯拉

×1

特斯拉

B值倍数

×10

特斯拉

×102

特斯拉

×103

特斯拉

（4）电阻R2、电容C2值

按功能键，将显示：

H

B

10K

1K

0.1K

10μF

1μF

0.1μF

这里显示的R2＝10KΩ、C2＝20μF为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

注：N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B值的倍数代号等参数可根据不同要求进行改写，并可通过SEEP操作存入串行EEROM中，掉电后数据仍可保存。

（5）定标参数显示（仅作调试用）

按功能键，将显示：

H

B

按确认键，将显示UHC和UBC电压值。

注：1．无输入信号时，禁止操作此功能键。

2．显示值不能大于1.0000，否则必须减小输入信号。

（6）显示每周期采样的总点数和测试信号的频率。

按功能键，将显示：

H

B

按确认键，将显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。

（7）数据采样

按功能键将显示：

H

B

按确认键后，仪器将按步序（6）所确定的点数对磁滞回线进行自动采样，显示器显示为：

H

B

若测试系统正常，稍等片刻后，显示器将显示“GOOD”，表明采样成功，即可进入下一步程序操作。

如果显示器显示“BAD”表明系统有误，查明原因并修复后，按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，重新进行数据采样。

（8）显示磁滞回线采样点H与B的值

连续按两次功能键，将显示：

H

B

每按二次确认键，将显示曲线上一点的H与B的值（第一次显示采样点的序号，第二次显示出该点H和B之值），采样总点数参照步序（6），H与B值的倍数参照步序（3）。显示点的顺序，是依磁滞回线的第4、1、2和3象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样信号出错。

若在进行第（7）步序中只按功能键而未按确认键（表明未完成数据采样就进入第（8）步序，此时将显示：“NO

DATA”，表明系统或操作有误）。

（9）显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br

按功能键，将显示：

H

B

按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出HC与Br之值。

（10）显示样品的磁滞损耗

按功能键，将显示：

H

B

按确认键，将按步序（3）所确定的单位显示样品磁滞回线面积。

磁滞损耗的计算公式：

W＝∫s

Hdb

单位为H×B×103焦耳/米3（单位参照步序（3））

（11）显示H与B的最大值Hm与Bm

H

B

按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出Hm与Bm之值。

（12）显示H与B的相位差

按功能键，将显示：

H

B

按确认键，如显示为：

H

B

上例显示表示，H与B的相位差是25.5°，在相位上UH超前UB。

（13）与PC联机测试操作

按功能键，将显示：

H

B

按确认键，进入联机状态（参阅附录Ⅱ）

（14）UHC电压校准操作（调试时用）

按功能键，将显示：

H

B

（15）UBC电压校准操作（调试时用）

H

B

（16）SEEP操作（数据存入EEPROM－93C46）

按功能键，将显示：

H

B

方法：在H显示器的最高两位上写入存入码“96”；

按确认键，片刻后，回显“85”，说明数据已存入EEPROM中。

（17）程序结束

按功能键，将显示：

H

B

三、实验内容

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O位。UH和UB（即U1和U2）分别接

“X输入”和“Y输入”，插孔⊥为公共端；

图6

退磁示意图

图7

U2和B的相位差等因素引起的畸变

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O，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．测绘μ－H曲线：连接实验仪和测试仪之间的信号连线。开启电源，对样品1、2进行退磁后，依次测定U＝0.5，1.0…3.0V时的十组Hm和Bm值，作出基本磁化曲线及μ—H曲线。

4．观察磁滞回线：开启PC机电源，进入联机操作状态，用配带的串行通讯线将测试仪后面板上的RS-232串行输出口与PC机的一个串行口相连接，打开测试仪，首先用测试仪上的按键确认N、L、n、S四个参数，然后按“功能”键将功能调至“PC

SHOW”功能，按“确认”键进入PC机联操作状态，数码显示器上显示“PC.F――”。（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）。在PC机中运行PCCOM.EXE程序，计算机就可以读取测试仪采集的数据信号，将实验数据保存在硬盘里，并可以在计算机显示屏上显示磁滞回线和其他曲线；

5．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；比较样品1和样品2的磁化性能；

6．令U＝3.0V，R1＝2.5Ω测定样品1的HC、Br、Hm、Bm和[BH]等参数。

7．取步骤6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。

四、实验数据记录

表一

基本磁化曲线与µ－H曲线

U(V)

H×104A/m

B×102T

µ＝B/H(H/m)

U(V)

H×104A/m

B×102T

µ＝B/H(H/m)

0.5

2.0

1.0

2.2

1.2

2.5

1.5

2.8

1.8

3.0

表二

B－H曲线

HC=

Br=

Hm=

Bm=

[BH]=

NO.H(A/M)

B(T)

NO.H(A/M)

B(T)

NO.H(A/M)

B(T)

五、注意事项：

1．测试仪面板中的电路已连接好，实验开始时，可以按照电路图进行核对，但是连线且勿乱动！电路的同名端连接要正确，不能交叉；信号端在操作时，一定要接上，否则容易死机；接线时要关电，否则会损伤电路。

2．如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B的倍数代号等参数，则不必按确认键；如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。

3．按常规操作至步序（12）（显示H与B的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失，必须重新进行数据采样。

4．测试过程中如显示器显示“COU”字符，表示应继续按动功能键。

5、测试仪上的数位键，数据键用来样品参数设定，实验前已确定好，请勿乱动。

六、思考题

1．为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，如何消除？

2．在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时，为什么要先退磁？如何退磁？

3.观察样品1和样品2的磁滞回线的不同，说明哪个样品为软磁材料，哪个样品为硬磁材料？如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料？

4.铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程？用磁滞回线来解释。

附录：

1．参数说明：

L

待测样品平均磁路长度

L=60mm。

S

待测样品横截面积

S=80

N1

待测样品励磁绕组匝数

N1=50

N2

待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数

N2=150

R1

励磁电流I1取样电阻，阻值0.5~5Ω

R2

积分电阻

阻值10KΩ。

C2

积分电容

容量20μF。

样品1和样品2为尺寸（平均磁路长度L和截面积S）相同而磁性不同的两只EI型铁芯，两者的励磁绕组匝数N1和磁感应强度B的测量绕组匝数N2亦相同。

2．数位键和数据键操作

若改写样品的某项参数，如将N＝50匝，L＝60mm改写N＝100匝，L＝80mm，可按如下步骤进行。

按功能键，显示器将显示

H

B

千匝

百匝

十匝

个匝

百毫米

十毫米

个毫米

分毫米

1．将N由50匝改写为100匝

按动数位键，使位于B窗口数据框内“个毫米”处的小数点右移至“分毫米”处；再按动数位键，使小数点渐次移入H窗口“百匝”（即数据输入位）处。

H

按动数据键，将小数点位处数码管数字“0”改写为“1”

H

再按动数位键，使小数点右移一位至“十匝”处（数据输入位）。

H

按动数据键，将小数点位处数码管数字“5”改写为“0”

H

再按动数位键，使小数点右移一位至“个匝”处。

H

至此，样品匝数已由50改写为100。

2．将L由60mm改写为80mm

操作方法同上

连续按动数位键，使小数点由H窗口的“个匝”处右移至B窗口“十毫米处”（数据输入位）。

B

按动数据键，将小数点位处的数码管数字“6”改写为“8”

B

再按动数位键，使小数点右移一位至“个毫米”处。

B

至此，样品平均磁路长度L已由60改写为80。

3．按确认键，当显示器显示“1”，表明修改后的N、L值已输入。

4．若要将改写后的数据存入EEPROM中，请参阅操作步序（16）。

思考题答案：

1．为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，如何消除？

答：有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环，是U2和B的相位差等因素引起的畸变，这时可降低励磁电压U予以消除。

2．在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时，为什么要先退磁？如何退磁？

答：由于铁磁材料磁化过程的不可逆性即具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H=0时B=0。退磁的方法，从理论上分析，要消除剩余磁感应强度Br，只需要通以反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可，但实际上矫顽力的大小通常并不知道，则无法确定退磁电流的大小。常采用的退磁方法是首先给要退磁的材料加上一个大于（至少等于）原磁化场的交变磁场（本实验中顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0依次增至3V），铁磁材料的磁化过程是一簇逐渐扩大的磁滞回线。然后逐渐减小外加磁场，（本实验中逆时针方向转动旋钮，将U从最大值依次降为0），则会出现一簇逐渐减小而最终趋向原点的磁滞回线。当外加磁场H减小到零时，铁磁材料的磁感应强度B亦同时降为零，即达到完全退磁。

3.观察样品1和样品2的磁滞回线的不同，说明哪个样品为软磁材料，哪个样品为硬磁材料？如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料？

答：软磁材料的特点是：磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗小，磁滞回线呈长条状；硬磁材料的特点是：剩磁大，矫顽力也大，磁滞特性显著，磁滞回线包围的面积宽大。

4.铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程？用磁滞回线来解释。

答：铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。铁磁材料在外加磁场中被磁化时，外加磁场强度H与铁磁材料的磁感应强度B的大小是非线性关系。当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之以曲线上升，当H增加到Hm时，B几乎不再增加，达到饱和值Bm，从O到达饱和状态这段B-H曲线，称为起始磁化曲线。当外加磁场强度H从Hm减小时，铁磁材料的磁感应强度B也随之减小，但不沿原曲线返回，而是沿另一曲线下降。当H下降为零时，B不为零，仍保留一定的剩磁Br，使磁场反向增加到-Hc时，磁感应强度B下降为零。继续增加反向磁场到-Hm，后逐渐减小反向磁场直至为零，再加上正向磁场直至Hm，则得到一条闭合曲线，称为磁滞回线。从铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线可以看到，外加磁场强度H从Hm减小到零时的退磁曲线与磁场H从零开始增加到Hm时的起始磁化曲线不重合，说明退磁过程不能重复起始磁化过程的每一状态，所以铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。