物理实验教案磁滞回线的研究与测试.docx
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物理实验教案磁滞回线的研究与测试
物理实验教案:
磁滞回线的研究与测试
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.测定样品的基本磁化曲线,作μ-H曲线。
3.测定样品的HC、Br、Bm和(Hm·Bm)等参数。
4.测绘样品的磁滞回线,估算其磁滞损耗。
二、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,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
L为样品的平均磁路
∵
(1)
(1)式中的N、L、均为已知常数,所以由可确定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
(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
式中为感生电流,U2为积分电容C2两端电压设在Δt时间内,i2向电
容的充电电量为Q,则
如果选取足够大的R2和C2,使>>,则
∵
(3)
由
(2)、(3)两式可得
(4)
上式中C2、R2、n和S均为已知常数。
所以由U2可确定B0
综上所述,将图5中的U1和U2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U1和U2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Br、矫顽力HD、磁滞损耗〔BH〕以及磁导率µ等参数。
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U2(即U1和U2)分别接示波器的“X输入”和“Y输入”,插孔⊥为公共端。
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.观察磁滞回线:
开启示波器电源,令光点位于坐标网格中心,令U=2.2V,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.观察、比较样品1和样品2的磁化性能。
6.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=3.0V,R1=2.5Ω测定样品1的和[BH]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。
以上磁滞回线基本实验内容均可以由TH-MHC型智能磁滞回线测试仪完成,KH-MHC型智能磁滞回线测试仪除可以完成磁滞回线基本实验内容外,还具有与PC机数据通讯的功能。
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,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,详细使用说明参见附录Ⅱ。
四、实验记录
表一基本磁化曲线与µ-H曲线
U(V)
H×103安/米
B×10特斯拉
µ=B/H享利/米
0.5
1.0
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.0
表二.B-H曲线Hc=Br=Bm=[BH]=U=
NO
H×103A/m
B×10T
NO
H×103A/m
B×10T
NO
H×103A/m
B×10T
附录Ⅰ
TH-MHC型智能磁滞回线测试仪
使用说明书
磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分
一、实验仪
配合示波器,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、试样、电路板以及实验接线图等部分组成。
1.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。
2.试样
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。
3.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。
4.实验接线示意图如图1所示
二、测试仪
图2所示为测试仪原理框图,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。
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)。
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,再接通与实验仪之间信号连线。
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:
HB
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:
HB
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:
B
H
1Ω0.1Ω0.01ΩH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
1×10安/米
2×102安/米
H值倍数3×103安/米
4×104安/米
5×105安/米
倍数代号倍数及单位
1×10-1特斯拉
2×1特斯拉
B值倍数3×10特斯拉
4×102特斯拉
5×103特斯拉
(4)电阻R2、电容C2值
按功能键,将显示:
HB
10K1K0.1K10μf1μf0.1μf
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
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- 物理 实验 教案 磁滞回线 研究 测试