三、实验原理

三、实验原理

（1）铁磁材料的磁滞现象

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3.37为铁磁物质磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。

图3.37　铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线

图3.37中的原点0表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝0，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0a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Hm时，B到达饱和值，0abS称为起始磁化曲线，图3.37表明，当磁场从Hm逐渐减小至0，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“0”点，而是沿另一条新曲线SR下降，比较线段0S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＝0时，B不为零，而保留剩磁Br。

当磁场反向从0逐渐变至－Hc时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，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RD称为退磁曲线。

图3.37还表明，当磁场按Hm→0→－Hc→－Hm→0→Hc→Hm次序变化时，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS′R′D′S变化，这条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（如变压器中的铁芯），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＝0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3.38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μ＝B／H，因B与H的关系成非线性，故铁磁材料的μ不是常数，而是随H而变化（图3.39）。铁磁材料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。

图3.38　同一铁磁材料的一簇磁滞回线

图3.39　铁磁材料与H的关系

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3.40为常见的两种典型的磁滞回线。其中软磁材料磁滞回线狭长、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。而硬磁材料磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。

图3.40　不同材料的磁滞回线

（2）用示波器观察和测量磁滞回线的实验原理和线路

观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图3.41所示。

待测样品EI型矽钢片，N1为励磁绕组，N2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N1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为样品的平均磁路长度，其中

所以

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图3.41　实验原理线路

式中　N1、L、R1的均为已知常数，所以由UH可确定H。

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组和R2C2电路给定的，根据法拉第电磁感定律，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：

式中　S——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　i2——感生电流；

UB——积分电容C2两端电压设在Δt时间内，i2向电容C2充电电量为Q，则

代入式（3.89）有

如果选取足够大的R2和C2使i2R2＞＞Q／C2，则

因为

所以

由（3.88）、（3.94）两式可得

式（3.95）中C2、R2、N2和S均为已知常数。所以由UB可确定B。

综上所述，只要将图3.41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，并可用示波器测出UH和UB值，进而根据公式计算出B和H；用该方法，还可求得饱和磁感应强度Bm、剩磁Br、矫顽力Hc、磁滞损耗WBH以及磁导率μ等参数。