用示波器观察铁磁材料的动态磁滞回线实验报告2Word格式文档下载.docx
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【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HD、Br、BS和(Hm·
Bm)等参
数。
3.测绘样品的磁滞回线,估算其磁滞损耗。
【实验仪器】
电阻箱(两个),电容(3-5微法),数字万用表,示波器,交流电源,互感器。
【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HS时,B到达饱和值BS,oabs称为起始磁化曲线。
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,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-HD时,磁感应强度B消失,说明要消除剩磁,必须施加反向磁场,HD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HS→O→HD→-HS→O→HD′→HS次序变化,相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SSRD'
SDR'
'
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=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,由此可近似确定其磁导率H
Bμ=,因B与H非线性,故
铁磁材料的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,可用来制造永磁体。
观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。
待测样品为EI型矽钢片,N为励磁绕组,n为用来测量磁感应
强度B而设置的绕组。
R1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
Li
NH1=L为样品的平均磁路
∵1
1RUi=
H1
1
ULRNH?
=
∴
(1)
(1)式中的N1、L、1R均为已知常数,所以由HU可确定H。
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CR2电路给定的,根据法拉第电磁感应定律,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
图3铁磁材料μ与H
并系曲
(2)
S为样品的截面积。
如果忽略自感电动势和电路损耗,则回路方程为
BURiε222+=
式中2i为感生电流,UB为积分电容C两端电压,设在Δt时间内,i2向电容2C的充电电量为Q,则
CQUB=
C
Q
Riε222+=∴如果选取足够大的R2和C,使i2R2>
>
Q/C,则
222Ri=ε
∵dt
dUCdtdQ
iB2
2==
dt
dURCεB
222=∴(3)
由
(2)、(3)两式可得
B22
US
NCRB=
(4)上式中C、R2、n和S均为已知常数。
所以由UB可确定B0
综上所述,将图5中的UH和UB分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B-H曲线;
如将UH和UB加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Rr、矫顽力HD、磁滞损耗〔WBH〕以及磁导率μ等参数。
【实验内容与步骤】
一根据线圈阻值估计线圈匝数
1按照图示连接电路;
2移动滑动变阻器,使电流表和电压表的示数超过2/3表盘,然后记录电压表电流表的示数.
3分别测左线圈和右线圈的阻值;
4测量线圈直径,计算线圈的横截面积.二不同电压下磁滞回线数据的测量
1.电路连接:
按电路图连接线路,并令R1=
2.5Ω。
UH和UB分别接示波器的“X输入”和“Y输入”。
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,
dn
?
ε=2?
dtn21
ε?
==dtnSSB21ε
令U从0增至10V,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,如图6所示。
3.观察磁滞回线:
开启示波器电源,调至X-Y方式,且X输入端和Y输入端都为
“DC”。
令光点位于坐标网格中心,令U=6.0V,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)。
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.测绘μ-H曲线:
仔细阅读测试仪的使用说明,接通实验仪和测试仪之间的连线。
开启电源,对样品进行退磁后,依次测定U=0.5,1.0…3.0V时的十组Hm和Bm值,作μ~H曲线。
7.令U=11.0V,R1=2.5Ω测定样品1的BS,Rr,HD,WBH,等参数。
8.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。
【数据记录及处理】
一根据线圈阻值估计线圈匝数。
励磁绕组N1(砸):
180测量绕组N2(砸):
65平均磁路L(mm):
50
2
Hmi=N1hmi/LR1Bmi=R2C2bmi/N2S
其中:
N1=180,N2=65,L=50mm
【误差分析及改进】
实验中误差的来源主要是一:
线圈本身有内阻,使得数据处理过程中对R1的处理偏小,使最终计算出的Hm偏大;
二对线圈匝数和线圈横截面积的估算,由于实验仪器参数的缺失,利用估算出的数据进行数据处理会有一定的偏差。
改进方法:
可以利用低电阻测量阻值的方法,利用开尔文电桥法通直流电源然后测量线圈的确切阻值,从而利用线圈估算线圈匝数的时候也可以精确一些。
【实验过程中现象的讨论及应注意的问题】
在实验过程中注意到:
○1随着电源频率的增加,磁滞回线逐渐变化,最终当电源频率超过1kz时,磁滞回线会变成椭圆,这表明铁磁介质的磁化特性随着磁化信号频率的变化而
变化。
○2随着R2的增大,磁滞回线的面积也随之增大,这是因为Bmi=R2C2bmi/N2S,Bm与R2成正比;
○3随着R1的增大,磁滞回线额大面积反而减小,这是因为Hmi=N1hmi/LR1,Hm与R1成反比。
实验时应注意的问题:
○1在调节SS-7802A示波器的过程中注意选择X-Y档,X输入和Y输入均选用DC档;
○2注意R1的阻值要选择小一点的2-3欧姆,R2的阻值要选择的大一些,60000欧姆以上,电容的值要选择在5-10微法左右。
-全文完-
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