实验 7.1 磁性材料B-H曲线.docx

实验7.1磁性材料B-H特性的测量

实验原理
1.磁性材料
自然界中的任何物质均有磁性，故其处于磁场Ｈ中时，均或多或少地被磁化。假如用Ｍ表示体积磁化强度（单位体积内的磁矩），则Ｍ＝χＨ，χ为体积磁化率。我们可根据χ的大小、符号及其他特性，大体上将物质磁性分成五种：1.逆磁性。此种磁性的χ＜0，即磁化强度Ｍ与磁化场Ｈ相反取向；｜χ｜值很小，约１0－5～１0－6，且和温度无关。很多非金属如Si、Ｐ、S等及有机化合物类，多表现为此种磁性；2.顺磁性。其χ＞0，即磁化强度Ｍ和磁化场Ｈ同向；其数值也很小，约１0－4左右，且与温度Ｔ有关：多数服从居里外斯定律χ＝c／（Ｔ－θP），少数服从居里定律x=/T。θP为顺磁居里点，在通常情况下，χ和磁化场Ｈ无关。许多稀土和过渡族金属的盐类表现出此种磁性；3.反铁磁性。这种磁性的χ和上述的顺磁性相似，在较高温度时服从居里外斯定律，χ＝c／（Ｔ－θa），不过θa常为负值，并非真实的相变温度。真实的相变温度为θN（称为耐尔点），χ在Ｔ＞θN范围内为典型的顺磁特性，而Ｔ＜θN范围内其值反而随温度的降低而减小；4.铁磁性。这是较复杂而对人类最有用的磁性之一，其χ既与温度、又与磁场有复杂的关系，当Ｔ＞θf时，此类物质表现出典型的顺磁性，χ值也较低；但在Ｔ＜θf区间，χ-Ｔ呈复杂的关系，出现铁磁性，χ值与磁化场有关，其最大值因材料而异，在１00～１05范围内。称相变点θf为铁磁居里点；5.亚铁磁性。这是一种更为复杂的磁性，其宏观行为极似于铁磁性，只是此种磁性来源于物体内的大小不等但反向耦合的未抵消磁矩部分，故其M随温度Ｔ的变化更复杂。以上的五类磁性中，前三种为弱磁性，后两种为强磁性。
2.原理介绍
磁学量多数为导出量，例如电流、电压、作用力等可以直接测量，但磁通、磁感应强度等必须借助热学的、电学的、光学的物理量测量结果推算出来。常用的且方便的方法是利用电磁感应定律，从测量的电学量推算出磁学量。
根据法拉第定律，一个开路线圈内的磁通发生变化时，其两端产生感应电压。如果线圈横截面积Ｓ、匝数Ｎ均为定值，则。对感应电压积分,则,则△。
对线圈两端感应电压进行积分，有许多办法和仪器。如冲击检流计、磁通计、Ｒ-Ｃ积分器、电压频率变换数值积分器、Ｒ-Ｃ有源积分器等等，近年用得比较普遍的是Ｒ-Ｃ有源积分器。基本的Ｒ-Ｃ有源积分器如图（1）所示。
考虑到运算放大器有很大的输入阻抗和输入端可看成“虚地”的性质，有如下关系。
eit=Riit+1Cii(t)dte0t=-1Cii(t)dt
若适当选择Ｒ、Ｃ的数值，满足RC≫1/2πf，f为输入信号频率，则iit≈ei(t)R
e0t≈-1RCei(t)dt
若eit=-dϕ(t)dt=-NSdB(t)dt
e0t=NSRCdBt=NSRCΔB
即：
ΔB=RCNSe0
3.仪器构成。
图（2）是根据法拉第感应定律用有源积分器进行Ｂ-Ｈ磁滞回线测量的仪器框图。　其中函数发生器和功率放大器给磁化装置提供随时间变化的磁化电流，磁通变化率检测装置（检测线圈）将感应电压et=-dϕ(t)dt送给积分器，积分器输出与磁通道Φ成正比的信号至Ｘ-Ｙ记录设备的Ｙ输入端。外加磁场测量装置测出与磁场对应的信号送至Ｘ-Ｙ记录设备的Ｘ输入端。于是记录到Φ-Ｈ曲线。再通过Φ与Ｂ的关系算出Ｂ-Ｈ曲线。反馈网络是为了控制函数发生器的扫描速度在Φ变化剧烈区间，Ｈ变化缓慢些，以便记录更精确。
实验仪器
电脑 有源积分器 线圈
实验数据与处理
1、 实心磁铁测量
实验中使用的磁铁直径2.7cm，线圈匝数10。
则磁铁面积，将实验中所得磁通量除以得到磁感应强度B，单位mT。将图像平移，得到如下图像：

可以得到：

2、 磁环测量
首先测量空线圈：

拟合后可以得到斜率；
磁环外径=3.1cm，内径=1.8cm，匝数200.；
则；
根据公式：处理数据，将磁通转化为磁感应强度得到：

单位分别为、
作图得到：

很明显，在测量后半段，数据发生了漂移，但是由于考虑第二象限，影响不是很大，因此得到：

思考题：
（1）如何利用B-H曲线算出内禀矫顽力？
答：利用公式，可以得到M-H曲线，得到M=0时的H值变为内禀矫顽力。
（2）用作图法求得的最大磁能积（BH）M与计算的（BH）M有何差别？
答：做图法是采用近似的方法，简单快捷，而计算是精确的结果。