材料物理实验报告
铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
[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
）等参数。
4.测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。
DH4516型磁滞回线实验仪，数字万用表，示波器。
[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
，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从H
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，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＝O时，B不为零，而保留剩磁Br。
当磁场反向从O逐渐变至－H
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
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
次序变化，相应的
磁感应强度B则沿闭合曲线
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。
姓名：古涛
班级：应用物理
电磁学试验
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铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线
大学物理实验报告
大学物理实验报告
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华东理工大学大学物理实验课件-霍尔法测量铁磁材料的磁滞回线和磁化曲线
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所需积分：1铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线实验讲义铁磁材料；磁化曲线；到测试仪上，可对样品的磁滞回线多点采样测定，并计；位：H：B：Hc=Br=Bm=[HB]=No H；次，切换一种，在数码显示窗上，显示选定功能代码；
铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线实验讲义铁磁材料按特性分硬磁和软磁两大类，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线，反映该材料的重要特性，也是设计选用材料的重要依据。一：实验目的：认识铁磁材料的磁化规律，比较两种典型铁磁物质的动态磁特性。测定样品的基本磁化特性曲线(Bm-Hm曲线)，并作μ―H曲线。测绘样品在给定条件下的磁滞回线，以及相关的Hc ，Br ，Bm ，和[H B ]等参数。二：实验原理：铁磁物质是一种性能特异，在现代科技和国防上用途广泛的材料。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，磁导率μ
很高。另一特性是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁材料仍保留磁化状态。图一为铁磁物质的磁感应强度Β与磁场强度H之间的关系曲线。
B(Bm)BS sr
bc a H-HS -HC 0
(Hm)R@-Brs@
铁磁物质的起始磁化曲线和磁滞回线图中的原点。表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=O 。当外磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段落0a所示；继之B随H迅速增长，如ab段所示；其后，B的增长又趋缓慢；当H值增至Hs 时，B 的值达到 Bs ，在S点的Bs和Hs，通常又称本次磁滞回线的Bm和Hm。曲线oabs段称为起始磁化曲线。当磁场从Hs逐渐减少至零时，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到o点，而是沿一条新的曲线sr下降，比较线段os和sr，我们看到：H减小，B也相应减小，但B的变化滞后于H的变化，这个现象称为磁滞，磁滞的明显特征就是当H=0时，B不为0，而保留剩磁Br。当磁场反向从o逐渐变为-Hc时，磁感应强度B=O，这就说明要想消除剩磁，必须施加反向磁场，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，线段rc称为退磁曲线。图一还表明，当外磁场按Hs →0→-Hc→-Hs →0 → Hc→ Hs次序变化时，相应的磁感应强度则按闭合曲线srcs’r’c’s变化时，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（如变压器铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁畴的存在，此过程要消耗能量，以热的形式从铁磁材料中释出。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。当初始态为H=B=O的铁磁材料，在峰值磁场强度H由弱到强的交变磁场作用下磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一组磁滞回线，如图二所示。这些磁滞回线顶点的连线称为该铁磁材料的基本
磁化曲线。由此，可近似确定其磁导率
因B与H是非线性关系，所以铁磁材料的磁导率 μ不是常数，而是随H而变化，如图三所示。铁磁材料的磁导率可高达数千至数万，这一特点使它广泛地用于各个方面。μ-H图二 同一铁磁材料的一组磁滞回线　　　　　　　图三
铁磁材料基本磁化曲线和μ--H关系曲线磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类的主要依据，图四为常见的几种典型的磁滞回线。其中，磁滞回线宽者，为硬磁材料，适用制造永磁体，其矫顽力大。剩磁强，如钕铁硼合金。磁滞回线细而窄者，为软磁材料，矫顽力，剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机和交流电磁铁的主要材料。磁滞回线如矩形者，矫顽力小，剩磁大，
B适于做记忆材料。如磁环、磁膜，广泛地应用于高科
矩技行业。 软硬H图四
不同铁磁材料的磁滞回线观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。待测样品有两种，为E型的钢片形式。N为励磁绕组匝数，n为测量磁感应强度B所用的测量绕组匝数。R1为励磁电流限流电阻，同时也是输出UH的取样电阻。设通过励磁线圈的励磁电流为I1，则根据安培环路定律，样品的磁化场强为，（在任意时刻）∮H?dl=ΣI∴
H= i1N/L∵
i1=U1/R1L为样品的平均磁路长度
H=(N/LR1)U1
。。。。。。。⑴所以，我们可以通过测量U1，计算出场强H。在交变磁场作用下，样品的磁感应强度值B瞬时值是由测量绕组n和R2、C2电路来给定。根据法拉第电磁感应定律，由于测量绕组中磁通变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：ε2==n dφ/dt根据磁感应强度定义：B=φ/S∴
B=(1/nS)∫ε2 dt
。。。。。。。⑵其中S为样品的横截面积。在测试回路中；根据基尔霍夫定律 有ε2=i2R2+U2+i2r-L2di2/dt式中R为测试线圈内阻，L2为测试线圈自感。测试线圈的自感和内阻都很小，我们把它们忽略，则回路方程为：ε2=i2R2+U2U2=Q/C2由于我们选用的R2和C2都比较大， 而 i2R2 和
i2R2&& Q/C2所以 又把回路方程近似为：ε2=i2R2而
i2=C2dU2/dt所以
ε2=R2C2dU2/dt
。。。。。。。。⑶由
B=（R2C2/nS）U2
。。。。。⑷所以，测得U2，便可计算出B。综上所述，我们将U1、U2加到示波器的x、y输入端上，便可看到样品的磁滞回线（B-H线）加
到测试仪上，可对样品的磁滞回线多点采样测定，并计算出此测试条件下的饱和磁感应强度Bm，剩磁Br，矫顽力Hc和磁滞损耗［BH］。及磁导率。三、实验内容1．电路连接：在实验仪上选定一个样品，按实验仪机箱上所给定的电路图连接线路，把R1选择调到2.5Ω，U选择调节到0，UH和UB分别连接到示波器的通道1（CH1
X）和通道2（CH2
Y）端子。插孔⊥为公共。将示波器的TIME/DIV旋钮反时针旋到底（X-Y）档。2．样品退磁：开启实验仪电源，对试样进行退磁。即顺时针转动“U选择”旋钮，令U从0增加到3V，然后再反时针方向转动，将U从最大值3V减到0，目的是消除剩磁，使测试样品处于磁中性状态。即B=H=0，如图六所示。3、观察磁滞回线：打开示波器电源，适当调节光点的亮度（INTEN）和聚焦（FOCUS），使光点清晰，同时调节光点的水平位置和CH2的垂直位置，使光点位于坐标网格的中心。令U=2.2V，分别适当调节CH1和CH2的灵敏度（VOLTS/DIV）使显示屏上出现大小适当的磁滞回线，若滞回线顶部出现编织状小环（如图上所示），可以适当降低励磁电压予以消除。4观察、比较样品1和样品2的磁滞回线。请注意，在将测试线路从一个样品移向另一个样品时，请关闭测试电源。接入样品后，首先应退磁。5测绘样品的
曲线，关闭示波器和实验仪电源，撤去示波器，输入探笔，将实验仪的Y（UB），　和Ｘ（ＵＨ）同测试仪的三个相应端子用给定的粗线连接起来，开启电源，对样品退磁，依次测定U=0.5V、1.0v……、3.0V的10组Hm和Bm值（使用测试议的功能7做测试，使用功能11显示）填入表一，计算出μ 值，用坐标纸画出基本磁化曲线B-H曲线和μ CH线。6、 令U=3.0V、R=2.5，先退磁，使用测试仪的功能7做一次给定条件下的磁滞回线测试，用功能8，读出本次测试中近300个点的B，H值，记入表一，并用功能11读出Bm,用功能9读出本次磁滞回线的Hc和Br，用功能10 读出本次磁滞回线的磁滞损耗[HB]，填入表二,填表时请注意所使用的倍数。记下所用倍数代号和倍数值。7、根据步骤6中所测得的B、H值用坐标纸绘制出磁滞回线(B-H曲线)，如何取数，取多少个数，请自行考虑。四、实验记录表一、基本磁化曲线（Bm-Hm曲线）和μ－H曲线。 测试条件：
仪器号：单位：
磁滞回线测试条件： U=
R1=测试样品号： 仪器编号：所用倍数代码：
[HB]=No H B No H B No H B
录磁滞回线实验仪分为两部分，实验仪和测试仪，我们分两部分作介绍。实验仪、配合示波器，可以观察铁磁材料的磁滞回线和测定基本磁化曲线。它由励磁电源，试样，电路板及实验接线，接线图等部分组成。励磁电源由220V、50H市电，经变压器隔离，降压后，供磁化试样。励磁电源输出电压共分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通过电路板上的波段开关“U选择”实现切换。试样试样有两个，样品1和样品2，它们的平均磁路长度L横截面积S相同而磁特性不同，两者的磁励绕组匝数N和测试绕组匝数n也相同，均制作为E型铁心型式。N=50
S=80mm 2电路板该印刷电路板上装有电源开关，样品1和样品2，励磁电压选择（U选择），和调节磁电流兼作H测量的取样电阻的R1选择开关。还有测量磁感应强度B所用的积分电路元件R2、C2。以上各元件（除电源开关）通过电路板与对应的连接用锁紧插孔相连接，只须采用专用插线，即可实现电路连接。电路板上还设有正比于磁感应强度B的电压VB和正比于磁场强度H的电压VH输出插孔，用于连接示波器，观察磁滞回线及连接测试仪作定量测试用。实验接线示意图试样二、测试仪测试仪和实验仪配合使用，能定量，快速测量铁磁材料，在反复磁化过程中的B和H 的瞬时值，并能测出剩磁Br，矫顽力HC，饱和磁感应强度Bm，计算出磁滞损耗[HB]等各种相关参数。测试仪面板图：2．测试仪使用参数L、测试样品平均磁路长度
可修改S、待测样品横截面积
可修改N、待测样品励磁绕组匝数
可修改n、待测样品磁感应强度B测量绕组匝数
可修改R1、励磁电流选择及磁场强度H测量取样电阻 可在0.5-5Ω 间任选R2、积分电阻
固定C2、积分电容
固定UH、正比于磁场强度的有效值电压
供调试用电压范围（0~1V）UB、正比于磁感应强度B的有效值电压
供调试用0~1V。3．瞬时值B与H的计数算公式。H=(N/LR1)U1B=（R2C2/nS）U24．测试仪按键功能说明：共有按键五个，⑴
功能键：用于选择不同功能
共有15种，每按一
次，切换一种，在数码显示窗上，显示选定功能代码。⑵
确认键：当选定某功能后，按下此键，测试仪便执行选定功能。⑶
数位键：用于选定要输入的数字的位置，用闪动的小数点代表，每按一次由左向右，循环移动⑷
数据键：用于在选定的位置上输入数字，每按动一次，数字由0－9循环选择。⑸
复位键：开机后，显示器会依次巡回显示，P和8 ，表示测试仪处于待命状态，在做功能切换或测试仪工作不正常时，应按此键，使测试仪回到待命状态。5．测试仪功能介绍：⑴
显示所测样品的N和L值，不使用确认键。H
0 千匝 百匝 十匝 个匝　　　　　　　　　
这里显示　Ｎ＝５０　　　Ｌ＝４０ｍｍ⑵
显示所测样品的ｎ和Ｓ值，不用确认H
0　　　　 千　 百　 十　 个　匝　　　　　　　
百　 十　个　分　毫米 ２⑶
显示Ｒ１值和Ｂ与Ｈ值的倍数代码， 不用确认H
1 0.1 0.01
H与B的倍数代号1
Ｈ倍数　　 3　 ×103　　　　　Ｂ的倍数 3
显示电阻Ｒ２和Ｃ２数值　　　不用确认H ┌ 2.
显示ＵＨ和ＵＢ的测量值　在按确认键后H
2 显示ＵＢ和ＵＨ的有效值⑹
显示每周期采样的总点数和测试信号频率，使用确认键
使用确认键后H
9 显示对磁滞回线采样308点，测量信号频率49.9 HZ⑺
数据采样，即进行测量
使用确认键。H
测试仪将对一条磁滞回线，按功能6指定的点自动采样，测试，按确认键后窗口显
， 。 ， 。 。
。 、 。 。 。持续一段时间，然后，窗口全暗，最后显示：H
C o o d.表示
样测试成功。如果测试仪显示
表示系统有故障，应查明原因后再使用。⑻
显示磁滞回线上
各样点的B和H的瞬时值。H
每按两次确认键，显示指定点的B和H瞬时值，其中，第一次按键，显示点序号。（右边窗口）H
2 第二次按确认键显示该点的B和H值H
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磁滞回线表示周期性变化时，强磁性物质的闭合磁化曲线。它表明了强磁性物质反复过程中M或B与H之间的关系。由于B=μ0(H+M)，若已知一材料的M—H曲线，便可求出其B—H曲线，反之亦然。式中μ0为真空磁导率。[1]
磁滞回线是铁磁性物质和亚铁磁性物质的一个重要的特征，和物质则不具有这一现象。[2]
磁滞回线基本概念
磁滞回线物理过程
图1 强磁物质的磁滞回线
将强磁性材料（包括铁磁性和亚铁磁性材料）样品从M=0开始，逐渐增大磁化场的磁场强度H，磁化强度M将随之沿图1中OAB曲线增加，直至到达磁饱和状态B。现增大H，样品的磁化状态将基本保持不变，因此直线段BC几乎与H轴平行。当磁化强度到达饱和值Ms时，对应的磁场强度H用Hs表示。OAB曲线称为起始磁化曲线。
此后若减小磁化场，磁化曲线从B点开始并不沿原来的起始磁化曲线返回，这表明磁化强度M的变化滞后于H的变化，这种现象称为磁滞。当H减小为零时，M并不为零，而等于剩余磁化强度Mr。要使M减到零，必须加一反向磁化场，而当反向磁化场加强到-Hcm时，M才为零，Hcm称为。
如果反向磁化场的大小继续增大到-Hs时，样品将沿反方向磁化到达饱和状态E，相应的磁化强度饱和值为-Ms。E点和B点相对于原点对称。
此后若使反向磁化场减小到零，然后又沿正方向增加。样品磁化状态将沿曲线EGKB回到正向饱和磁化状态B。EGKB曲线与BNDE曲线也相对于原点O对称。由此看出，当磁化场由Hs变到-Hs，再从-Hs变到Hs反复变化时，样品的磁化状态变化经历着由BNDEGKB闭合回线描述的循环过程。曲线BNDEGKB称为磁滞回线。
BC及EF两段相应于可逆磁化过程，M为H的单值函数。由于磁滞现象，磁滞回线上任一给定的H，对应有两个M值。样品处于哪个磁状态，决定于样品的磁化历史。可以证明，B-H磁滞回线所包围的面积正比于在一次循环磁化中的能量损耗。[1]
磁滞回线正常磁化曲线
图2 强磁体的正常磁化曲线
若磁化场的最大|H|值在小于|Hs|的范围内反复磁化，将得到小一些的磁滞回线(见图2)。所有磁滞回线中上述BNDEGKB为最大的一个，常称为极限磁滞回线。各磁滞回线两端顶点的连线称为正常磁化曲线，如图2中虚线所示，它和起始磁化曲线基本重合。
用B-H表示的强磁性材料的磁滞回线其走向和形状与M-H磁滞回线大致相同。在电工技术中更多使用B-H表示的磁滞回线。
上述磁滞回线是在磁场作缓慢变化时得到的，也称为准静态磁滞回线。在交变磁场作用时，仍然有磁滞现象，磁滞回线也是一闭合回线，称为动态磁滞回线。由于等影响，动态磁滞曲线的形状和面积大小等都与准静态磁滞回线的不同。
可以证明，B-H磁滞回线所包围的面积正比于在一次循环磁化中的能量损耗。对准静态磁滞回线，此损耗仅为磁滞损耗，对于动态磁滞回线，此能量损耗包括和等。[1]
磁滞回线矫顽力
当H=-Hc时， B=0(B≈μ0(H+M) ，所以此时M≈0)，这说明使铁磁质完全消除剩磁需加反向磁场Hc，Hc称为矫顽力。因为H=B/μ0-M，严格地说使B=0与使M=0所需的矫顽力不一样，应当区分使M=0与使B=0的矫顽力。
在矫顽力不大时(即在H<<M时，B=μ0(H+M)?μ0M)认为二者矫顽力一致(即B=0时M=0)。矫顽力的大小反映了铁磁材料保存剩磁状态的能力。正是按矫顽力的大小把铁磁质分成硬磁材料和软磁材料。[3]
磁滞回线分类
磁滞回线一般可分为下面几种类型：
(1)正常磁滞回线。 这是绝大多数磁性材料所具有的回线形状与原点是对称的，或称S型回线。
(2)矩形磁滞回线，指Br/Bm&0.8的磁滞回线，这一般可以用热处理或胁强处理材料的方法来得到。
(3)退化磁滞回线。 若某种材料经过磁场热处理或胁强处理后在一定方向获得了矩形磁滞回线，若当在其垂直方向进行磁化的，常常会得到近于直线的磁滞回线，Br/Bs&0.2。
(4)蜂腰磁滞回线。在少数磁性材料中，例如某些含钴的铁氧体和叵明伐(perminvar)合金，在中等磁场强度下的磁滞回线呈现特殊的形状，即在Br附近的B值显著降低形如蜂腰。
(5)不对称磁滞回线。前面4种都称为对称回线(Hc=Hc)。而对同时含有铁磁性和反铁磁性成分的材料(例如粉末状钴表面有氧化钴层)，或者在恒定磁场中经过热处理的铁氧体，其磁滞回线常出现不对称，即Hc≠Hc。
(6)饱和磁滞回线。当磁化场足够大，使磁化达到饱和状态，这样得到的正常磁滞回线即为饱和磁滞回线。通常在这一状态下定义Hc和Br的大小。[2]
磁滞回线应用
磁滞回线具有结构灵敏的性质，很容易受各种因素的影响。 磁滞回线的产生则是由于技术磁化中的不可逆过程引起的，这种不可逆过程在畴壁移动和磁畴转动的过程中都可能发生。磁滞回线所包围的面积，表示铁磁物质磁化循环一周所需消耗的能量，这部分能量往往转化为而被消耗掉。[2]
磁滞回线反映了铁磁质的磁化性能。它说明铁磁质的磁化是比较复杂的，铁磁质的M、B和H之间的关系不仅不是的，而且不是单值的。亦即对于一个确定的H，M、B的值不能唯一确定，同时还与磁化历史有关。
不同的铁磁质有不同形状的磁滞回线，不同形状的磁滞回线有不同的应用。例如永磁材料要求矫顽力大，剩磁大；软磁材料要求矫顽力小；记忆元件中的铁心则要求适当低的矫顽力。为了满足生产、科研中新技术的需要就要研制新的铁磁材料使它们的磁滞回线符合应用的要求。磁滞回线为选材提供了依据。由于B—H磁滞回线所围面积与磁滞损耗成正比，在交流电器中磁滞损耗是有害的，它的存在既浪费了电能又使铁心发热，对设备不利，所以软磁材料的磁滞回线所围面积要尽量减小，以减少损耗。[3]
《中国电力百科全书》编辑委员会,中国电力出版社《中国电力百科全书》编辑部．中国电力百科全书：中国电力出版社，1995
冯端．固体物理学大辞典：高等教育出版社，1995
阎金铎;姜璐,崔华林．中国中学教学百科全书：沈阳出版社，1991
中国电子学会（Chinese Instit...
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