【实验原理】

【实验原理】

1.铁磁材料的磁滞性质

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。当材料磁化时，磁感应强度B 不仅与当时的磁场强度H 有关，而且决定于磁化的历史情况，图3-42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。

曲线OA 表示铁磁材料从没有磁性开始磁化，磁感应强度B 随H 的增加而增加，称为初始磁化曲线。当H 增加到某一值HS时，B 几乎不再增加，说明磁化已达到饱和。材料磁化后，如使H 减小，B 将不沿原路返回，而是沿另一条曲线AC'A'下降。当H 从-HS增加时，B 将沿A'CA 曲线到达A，形成一闭合曲线，该闭合曲线称为磁滞回线，其中H=0时，|B|=Br，Br称为剩余磁感应强度。要使磁感应强度B 为零，就必须加一反向磁场-Hc，Hc称为矫顽力。各种铁磁材料有不同的磁滞回线，主要区别在于矫顽力的大小，矫顽力大的称为硬磁材料，矫顽力小的称为软磁材料。

由于铁磁材料的磁滞特性，磁性材料所处的某一状态必然和它的历史有关。为了使样品的磁特性能重复出现，也就是指所测得的基本磁化曲线都是由原始状态（H=0，B=0）开始，在测量前必须进行退磁，以消除样品中的剩余磁性。

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3-43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 非线性，故铁磁材料的μ 不是常数而是随H 而变化的，如图3-44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3-45 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。

2.示波器测量磁滞回线的原理

图3-46所示为示波器测动态磁滞回线的原理电路。将样品制成闭合的环形，然后均匀地绕以磁化线圈N1及副线圈N2，即所谓的罗兰环。将交流电压u 加在磁化线圈上，R1为取样电阻，其两端的电压u1加到示波器的X 输入端上。副线圈N2与电阻R2和电容串联成一回路。电容C 两端的电压uc加到示波器的Y 输入端上。

（1）u1（X 轴输入）与磁场强度H 成正比。若样品的平均周长为l，磁化线圈的匝数为N1，磁化电流为i1（瞬时值），根据安培环路定理，有Hl=N1i1，而u1=R1i1，所以

由于式中R1、l和N1皆为常数，因此，该式清楚地表明示波器荧光屏上电子束水平偏转的大小（u1）与样品中的磁场强度（H）成正比。

（2）uC（Y 轴输入）在一定条件下与磁感应强度B 成正比。设样品的截面积为S，根据电磁感应定律，在匝数为N2的副线圈中，感应电动势为

此外，在副线圈回路中的电流为i2且电容C 上的电量为q 时，又有

考虑到副线圈匝数N2较小，因而自感电动势未加以考虑，同时，R2与C 都做成足够大，使电容C 上的电压降（uC=q/C）比起电阻上的电压降R2i2小到可以忽略不计。于是式（3-38）可以近似地改写为

将关系式代入式（3-39），得

将式（3-40）与式（3-37）比较，不考虑其负号（在交流电中负号相当于相位差±π）时，应有

将等式两边对时间积分，由于B 和uc都是交变的，故积分常数为0。整理后得

由于N2、S、R2和C 皆为常数，因此该式表明了示波器的荧光屏上竖直方向偏转的大小（uc）与磁感应强度（B）成正比。

由此可见，在磁化电流变化的一周期内，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，并在以后每个周期都重复此过程，这样在示波器的荧光屏上将看到一稳定的磁滞回线图形。

（3）测量标定。本实验不仅要求能用示波器显示出待测材料的动态磁滞回线，而且要能使用示波器定量观察和分析磁滞回线。测动态磁滞回线实际电路如图3-47所示。因此，在实验中还需确定示波器荧光屏上X 轴（即H 轴）的每一小格实际代表多少磁场强度，Y 轴（即B 轴）的每一小格实际代表多少磁感应强度，这就是测量标定问题。

1）X 轴（H 轴）标定。X 轴标定操作的目的是标定H。具体而言就是确定示波器荧光屏X 轴（即H 轴）的每一小格实际代表多少磁场强度。由式（3-36）可见，若设法测出光点沿X 轴偏转的大小与电压u1的关系，就可确定H。具体标定H 的线路图如图3-48所示。其中交流电表A 用于测量I0（请注意A 的指示是i0的有效值I0）。调节I0使荧光屏上水平线长度为Mx格，它对应于u1且为峰值，即，因此，每一小格所代表的u1值为。这样由式（3-36）就可知荧光屏每一小格所代表的磁场强度H 是

值得注意的是，标定线路中应将被测样品去掉，而代之以一纯电阻R0。这主要是因为被测样品铁磁材料的B 和H 的关系是非线性的，从而使电路中的电流产生非正弦形畸变。R0起限流作用，标定操作中应使I0不超过R0允许的电流。

2）Y 轴（B 轴）标定。Y 轴标定操作的目的是标定B，具体而言就是确定Y 轴（B 轴）的每一小格实际代表多少磁感应强度。具体标定B 的线路如图3-49所示。图中M 是一个标准互感器。

流经互感器原边的瞬时电流为i0，则互感器副边中的感应电动势E0为

类似于式（3-40），又有

对上式两边积分，可得

由于A 测出的是i0的有效值I0，所以对应于uc的有效值UC，有

而相应的峰峰值为。

若此时对应uc峰峰值的垂直线总长度为My，则根据式（3-41）可得，Y 轴每一小格所代表的磁感应强度为

应注意实验中，不要使I0超过互感器所允许的额定电流值。