实验C磁化曲线和磁滞回线测量大字讲稿Word文档格式.docx
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【实验目的】
1.了解磁滞回线和磁化曲线概念,加深对磁材料矫顽力、剩磁等参数的理解。
2.掌握磁材料磁化曲线和磁滞回线的测量方法,确定Bs、Br和Hc等参数。
3.探讨励磁电流频率对动态磁滞回线的影响。
【预备问题】
1.为什么测磁化曲线先要退磁?
2.为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼?
3.为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大,损耗大?
补充资料:
P2页由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点,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;
其次,磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减小,不可时增时减。
退磁方法,从理论上分析,要消除剩磁Br,只要通一反向电流,使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行了,实际上,矫顽磁力的大小通常并不知道,因此无法确定退磁电流的大小。
我们从磁滞回线得到启示,如果使铁磁材料磁化达到饱和,然后不断改变磁化电流的方向,与此同时逐渐减小磁化电流,以至于零。
那么该材料磁化过程是一连串逐渐缩小而最终趋向原点的环状曲线,如图1所示,当H减小到零时,B亦同时降到零,达到完全退磁。
可见,在进行测量时,一般要先退磁,再进行“磁锻炼”,然后进行正式测量。
P2页为了稳定闭合的磁滞回线,磁材料的每个磁化状态都要反复磁化,这种反复磁化的过程称为磁锻炼。
由于动态法测量磁化曲线采用交变电流,每个磁化状态都经过充分反复磁化的过程的磁锻炼,才可得到稳定闭合的磁滞回线。
P1页静态的磁滞回线所包围的面积大小与磁滞损耗成正比,而实验中用交流磁化所得的回线包围的面积,不仅包括磁滞损耗,而且还包括涡流损耗,因此,动态的回线一般比静态的要大一些。
【实验仪器】
FC10-II型智能磁滞回线实验仪。
【实验原理】
1.铁磁材料的磁化规律
(1)初始磁化曲线
图2磁滞回线
在强度为H的磁场中放入铁磁物质,则铁磁物质被磁化,其磁感应强度B与H的关系为:
B=H,为磁导率。
对于铁磁物质,μ不是常数,而是H的函数。
如图1所示,当铁磁材料从H=0开始磁化时,B随H逐步增大,当H增加到Hs时,B趋于饱和值Bs,Hs称为饱和磁场强度。
从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线OS,称为初始磁化曲线。
(2)磁滞回线
如图2所示,当磁材料达到饱和磁化Bs后,如果将H减小,B也减小,但沿与OS不同的路径ab返回。
当H=0时,B=Br,到达b点,Br称为剩磁。
欲使B=0,必须加反向磁场,当H=-Hc,B=0(完全退磁),到达c点,bc段曲线称为退磁曲线,Hc称为矫顽力。
如果反向磁场继续增大,磁性材料将反向磁化。
当H=-HS时,磁化达到反向饱和,B=-Bs,到达d点。
此后若减小反向磁场使H=0,则B=-Br,到达e点;
当H=Hc时,B=0,到达f点;
再次当H=Hs时,B=Bs,回到正向饱和状态a点。
经历这样一个循环后形成的闭合曲线abcdefa称为磁滞回线。
HS、BS、Br、Hc是磁滞回线的特征参数。
剩磁Br反映介质记忆能力的大小,矫顽力Hc反映铁磁材料是硬磁还是软磁。
磁性材料的磁化特性不仅与材料自身的性质有关,还与材料形状、磁化场频率及波形有关。
图4退磁过程
由于磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点,在实验过程中磁化电流只允许单调地增加或减少,不能时增时减。
当从初始状态H=0、B=0开始周期性地改变H的大小和方向时,可以得到面积由大到小的磁滞回线簇,如图3所示。
图3的原点0和各磁滞回线的顶点a1,a2,a3,…,a所连成的曲线,就是初始磁化曲线。
在测定初始磁化曲线时,首先必须将磁材料充分退磁,以保证每次都是从原始状态(H=0,B=0)开始。
退磁方法为:
先用大磁化电流让铁磁材料饱和磁化,然后缓慢减小交变电流,利用逐渐衰减的交变电流对磁材料反复磁化,最后将电流调为零,重复2~3次即可完全退磁。
退磁回线是一串面积逐渐缩小而最终趋于原点0的环状曲线,如图4所示。
为了得到稳定闭合的磁滞回线,磁材料的每个磁化状态都要反复磁化,这种反复磁化的过程称为磁锻炼。
由于动态法测量磁化曲线采用交变电流,每个状态都经过充分的磁锻炼,所以可随时测得稳定闭合的磁滞回线。
2.实验原理
如图5所示,待测样品为磁环,磁环的励磁线圈匝数为N1,测量磁环磁感应强度B的测量线圈匝数为N2。
R1为励磁电流的取样电阻,R2为积分电阻,C为积分电容。
在线圈N1中通入磁化电流I1,根据安培环路定律,磁环中产生的磁场H为:
(1)
式中L为磁环样品的平均磁路长度。
取样电阻R1的输出电压为:
(2)
由式
(1)和式
(2)得:
(3)
在式(3)中,N1、L、R1为已知常数,只要测出UH,就得到磁场强度H。
设磁场H在磁环样品中产生的磁感应强度为B,由电磁感应原理可知,有效横截面积为S2的测量线圈的磁通量Φ=BN2S2,测量线圈产生的感生电势为:
(4)
为了测量B,用R2C电路对感生电势E2进行积分,选择R2和C的数值使R21/C,为励磁电流的圆频率(即角频率ω=2πf),则E2I2R2,积分电容C的输出电压UB为:
(5)
由式(5)得:
(6)
式(6)中,N2、C、S、R2为已知常数,只要测出UB,就得到磁场感应强度B。
【实验内容与步骤】
图6是FC10-II型智能磁滞回线实验仪,包括样品测试箱(有红色和蓝色两个磁环样品)和LCD智能测试仪两个部分,LCD显示屏可代替示波器直接显示测量曲线和剩磁、矫顽力等数据,实验数据及输入参数可保存和随时调用。
其详细使用方法见附录1。
1.选择测试箱的磁样品(红色或蓝色磁环)。
红色磁环为软磁材料,蓝色磁环为硬磁材料,它们的几何参数相同:
截面S=124mm2,平均磁路长度L=130mm,N1=N2=100匝。
按图6连线:
将测试箱信号源的输出端连到磁样品的励磁线圈输入端,将磁样品测量线圈的输出端连到RC积分电路的输入端,将测试箱UH和UB的输出端分别接到LCD智能测试仪的UH(X)和UB(Y)的输入端,并将它们的接地端相连。
2.选取测试箱元件参数。
取样电阻R1=5.5,积分电阻R2=30K,积分电容C=3.0F,保证R21/C。
注意:
R2不能小于10K,C不能小于1.0F,否则磁滞回线会畸变。
3.观察磁滞回线簇和初始磁化曲线
(1)接通实验仪电源,选取励磁信号源的幅度和频率。
励磁信号源为正弦波,频率在20200Hz连续可调,并由4位数码管显示,幅度可用波段开关分档可调。
选取正弦信号的频率(如50Hz),幅度波段开关放合适位置(如
档)。
(2)用LCD智能测试仪观测磁滞回线簇和初始磁化曲线
打开LCD智能测试仪的电源后,LCD显示初始界面,屏幕右下角显示“FS”字符,表示目前可以响应“S/预置”键和“F/采样间隔”键,其他按键目前暂不能响应。
说明:
按键上的“数字”或“字母”代表该键编号,按键上的“汉字或+1/-1”代表该键的功能。
按“S/预置”键:
通过“0/+1”“1/-1”,“2/左移”,“3/右移”键来设置“取样电阻R1、积分电阻R2、积分电容C”参数,以便微电脑可以根据实验数据计算B或H值,描绘磁滞回线或磁化曲线。
磁样品的“L、横截面积S、励磁线圈匝数N1、测量线圈匝数N2”已经预置好,不要修改。
参数设置好后,按“D/确定”键,保存设置参数。
此时LCD上显示B-H直角坐标轴。
按“5/回线簇”键:
自动测量并显示一条与励磁正弦信号幅度相对应的磁滞回线。
依次将励磁正弦信号的幅度波段开关调至
档、
档,…,则自动测量并显示面积逐次增大的其他磁滞回线,得到磁滞回线簇(共测6条磁滞回线),将原点0与各磁滞回线的顶点a1,a2,a3,…,a相连,得到初始磁化曲线。
观察并记录这些磁滞回线的形状与特征,以便与后面逐点测量的磁滞回线比较。
4.逐点测量初始磁化曲线
(1)将励磁正弦信号的频率调为50Hz,幅度波段开关调至0档,从退磁状态开始测量。
(2)按“D/确定”键,结束当前操作。
(3)按“4/起始磁化曲线”键:
测量并显示与励磁正弦信号幅度相对应的起始磁化曲线的一个点及B、H值,将B、H值记录到数据表1(自拟);
然后将励磁正弦信号的幅度波段开关调至
档,按“4/起始磁化曲线”键,则显示磁化曲线的第2个点和B、H值,记录B、H值;
依次方法逐步增大励磁正弦信号幅度直到磁化曲线饱和,从而得到起始磁化曲线。
将所有点的B、H值记录到数据表1。
画出LCD屏上的初始磁化曲线,以作数据处理时参考。
如果漏记了前面某个测量点的B、H值,可以按“7/逐点查询”键来查询。
每按1次该键,从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向,LCD屏上用“加亮”方式显示该点,并显示该点的B和H值。
(4)将励磁正弦信号的频率调为100Hz,重复上述操作,再测另一条初始磁化曲线,与50Hz初始磁化曲线进行比较。
表1(硬磁材料)初始磁化曲线的测量数据表
50Hz
H(×
3.75×
103A/m)
B(×
105T)
75Hz
5.逐点测量磁滞回线
(1)按“D/确定”键,结束当前操作。
(2)将励磁正弦信号的频率调为50Hz,幅度波段开关调至饱和磁化幅度(如
(3)按“6/逐点测量”键:
LCD屏显示磁滞回线右上角的一点和B、H值,将B、H值记录到数据表2(自拟)。
再按一次“6/逐点测量”键,按默认的步长、逆时针方向测量并显示磁滞回线第二个点和B、H值,记录B、H值。
不断按“6/逐点测量”键,直到得到一条完整的磁滞回线,将所有点的B、H值记录到数据表2中。
画出LCD屏上的磁滞回线,读出HS、BS、Br、Hc值,以作数据处理时参考。
表2(50Hz时)逐点测量磁滞回线的测量数据表
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