FDBH2动态磁滞回线使用说明.docx
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FDBH2动态磁滞回线使用说明
FD-BH-2型
动态磁滞回线实验仪
说
明
上海复旦天欣科教仪器有限公司
中国上海
FD-BH-2型动态磁滞回线实验仪
一.概述
磁性材料在通讯、计算机和信息存储、电力、电子仪器、交通工具等领域有着十分广泛的应用。
磁化曲线和磁滞回线反映磁性材料在外磁场作用下的磁化特性，根据材料的不同磁特性，可以用于电动机、变压器、电感、电磁铁、永久磁铁、磁记忆元件等。
动态磁滞回线是磁性材料的交流磁特性，其在工业中有重要应用，因为交流电动机、变压器的铁芯都是在交流状态下使用的。
本公司研制生产的FD-BH-2型动态磁滞回线实验仪具有以下特点：
1.提供形状尺寸相同的软磁铁氧体和硬磁模具钢（Cr12）两种典型磁性材料进
行磁特性测量，可明显比较它们的磁特性参数不相同。
并可测量在磁场强
度较小时，硬磁材料椭圆磁滞回线磁参数（复数），实验内容相当丰富；
2.提供可变频率的正弦波交流电源，可观测频率对磁特性的影响；
3.正弦信号源与220伏交流电源隔离（浮地），实验安全可靠；
4.提供准确度较高的交流数字电压表和细调正弦信号源。
校准示波器X轴和Y
轴分度值（定标）相当方便、准确；
5.样品初级线圈串联取样电阻Ri和次级线圈串联电阻R2和电容C，均可单独引
出接线。
学生自己可用交流矢量合成法或等阻抗法精确测量Ri、R2和C值。
（外接一个电阻箱即可）
本仪器是观测动态磁滞回线的优质仪器，可供高等院校、中等专业学校等
基础物理实验，设计性综合性实验和演示实验使用。
二.仪器用途
FD-BH-2型动态磁滞回线实验仪可以完成以下实验内容：
1.测量软磁铁氧体基本磁化曲线和磁滞回线，求材料饱和磁感应强度、矫顽磁
力和剩磁值，磁导率与磁场强度关系。
2.观察硬磁模具钢（铬合金钢）的磁滞回线。
3.观察交流电频率对磁性材料磁特性参数的影响。
4.学习用正弦信号和交流数字电压表对示波器X轴和丫轴分度值进行校准（定标）。
5.学习用矢量合成法或等阻抗法测量电阻值和电容值。
6.观察在磁场强度H较小时，硬磁材料椭圆磁滞回线，测量椭圆磁滞回线的交流磁特性参数。
二.技术指标
1.正弦波信号发生器：
频率15Hz--115Hz,连续可调。
输出信号交流0-7V,可连续细调。
输出端与电源线中的地线隔离（浮地）。
2.交流数字电压表：
量程200mV,分辨率0.1mV,浮地。
3.待测磁性样品：
软磁铁氧体1只（环状），初级200匝，次级200匝;硬磁模具钢（Cr12合金钢）1只（环状），初级200匝，次级200匝；两个样品内径
23.0mm,外径38.0mm，高10.0mm。
4.初级线圈串联电阻Ri2.0,次级线圈电路串联电阻R250.0K,电容
C4.7F。
四.仪器简介
动态磁滞回线和磁化曲线实验仪由正弦信号发生器，交流数字电压表、实验电路模块，包括待测样品2只，取样电阻Ri和R2、电容C等组成，其仪器装置外形如图1所示。
图1动态磁滞回线和磁化曲线实验仪
五.使用注意事项
1.正弦信号发生器的输出端的黑色接线柱和交流数字电压表输出端的黑色接
线柱为公共端（仪器内用导线连在一起），实验时，须将公共端接在一起。
2.示波器的X轴和丫轴显示正弦波信号的分度值为峰-峰值，而交流电压表测量的是正弦波的有效值。
两者之间存在一定的关系，计算时必须注意。
3.在校准X轴和丫轴灵敏度时，应将被测样品去掉，而代之以纯电阻Ro。
这主要是被测样品是铁磁材料，它的磁导率-是与电流有关的量，从而使磁化
电路中的电流产生非线性畸变。
Ro起限流作用，操作时，不应超过其允许功率。
4.取2.0Q上正弦波电压进行校准是由于示波器输入两端处于低阻抗，可减小环境杂散信号的影响。
铁磁材料动态磁滞回线和磁化曲线的测量
（复旦大学物理实验教学中心提供）
磁性材料在科研和工业中有着广泛的应用，种类也相当繁多，因此各种材料的磁特性测量，是电磁学实验中一个重要内容。
磁特性测量分为直流磁特性测量和交流磁特性测量。
本实验用交流正弦电流对磁性材料进行磁化，测得的磁感应强度与磁场强度关系曲线称为动态磁滞回线，或者称为交流磁滞回线，它与直流磁滞回线是有区别的。
可以证明：
磁滞回线所包围的面积等于使单位体积磁性材料反复磁化一周时所需的功，并且因功转化为热而表现为损耗。
测量动态磁滞回线时，材料中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗，因此，同一材料的动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积稍大些。
本实验重点学习用示波器显示和测量磁性材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的方法，了解软磁材料和硬磁材料交流磁滞回线的区别。
一.实验目的
1.了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的重要物理量矫顽力、剩磁和磁导率的理解。
2.用示波器测量软磁材料（软磁铁氧体）的磁滞回线和基本磁化曲线，求该材料的饱和磁感应强度Bm、剩磁Br和矫顽力Hc。
3.学习示波器的X轴和丫轴用于测量交流电压时，各自分度值的校准。
4.用示波器显示硬铁磁材料（模具钢Cr12）的交流磁滞回线，并与软磁材料进行比较。
5.学习精确测量电阻和电容的实验方法，测量不同阻值电阻和未知电容。
6.学习用计算机测量磁性材料动态磁滞回线和磁化曲线的方法。
（选配计算机
接口后完成）
二实验原理
（一）铁磁物质的磁滞现象
铁磁性物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁性的原因。
一般都
是通过测量磁化场的磁场强度H和磁感应强度B之间关系来研究其磁化规律的。
如左图所示，当铁磁物质中不存在磁化场时，H和B均为零，在BH图中则相当于坐标原点0。
随着磁化场H的增加，B也随之增加，但两者之间不是
线性关系。
当H增加到一定值时，B不再增加或增加的十分缓慢，这说明该物质的磁化已达到饱和状态。
Hm和Bm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度（对应于图中A点）。
如果再使H逐步退到零，则与此同时B也逐渐减小。
然而，其轨迹并不沿原曲线A0，而是沿另一曲线AR下降到Br，这说明当H下降为零时，铁磁物质中仍保留一定的磁性。
将磁化场反向，再逐渐增加其强度，直到
HHm，这时曲线达到A点（即反向饱和点），然后，先使磁化场退回到H0；
再使正向磁化场逐渐增大，直到饱和值Hm为止。
如此就得到一条与ARA对称的
曲线ARA,而自A点出发又回到A点的轨迹为一闭合曲线，称为铁磁物质的磁滞回线，此属于饱和磁滞回线。
其中，回线和H轴的交点He和Hc称为矫顽力，回线与B轴的交点Br和Br,称为剩余磁感应强度。
（二）利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线
电路原理图如图2所示。
将样品制成闭合环状，其上均匀地绕以磁化线圈Ni及副线圈N2。
交流电压u加在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻Ri，将Ri两端的电压ui加到示波器的X轴输入端上。
副线圈N2与电阻R2和电容C串联成一回路，将电容C两端的电压U2加到示波器的Y轴输入端，这样的电路，在示波器上可以显示和测量铁磁材
图2用示波器测动态磁滞回线的电路图
（图中正弦交流电源浮地）
1.磁场强度H的测量
设环状样品的平均周长为I，磁化线圈的匝数为Ni，磁化电流为交流正弦波
电流ii,由安培回路定律HINib,而uiRiii,所以可得
（i）
Niui
IRi
式中，Ui为取样电阻Ri上的电压。
由公式
（1）可知，在已知Ri、丨、Ni的情况下，测得Ui的值，即可用公式
（1）计算磁场强度H的值。
2.磁感应强度B的测量
设样品的截面积为S,根据电磁感应定律，在匝数为n2的副线圈中感生电动
势E2为
dB
E2N2S-
dt
（2）式中,
dB为磁感应强度B对时间t的导数。
dt
若副线圈所接回路中的电流为
i2，且电容C上的电量为Q,则有
Q
C
在（3）式中，考虑到副线圈匝数不太多，因此自感电动势可忽略不计。
在选定线路参数时，将R2和C都取较大值，使电容C上电压降UCQR2i2,可忽略不计,
C
于是（3）式可写为
E2R2i2
把电流”穿C普代入（4）式得
把（5）式代入
（2）式得S
N2S畳唏
（6）
R2Cuc
n2s
式中，N2、S、R2和C皆为常数，通过测量电容两端电压幅值Ue代入公式（6）,
可以求得材料磁感应强度B的值
当磁化电流变化一个周期，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，以后每个周期都重复此过程，形成一个稳定的磁滞回线。
3.B轴（Y轴）和H轴（X轴）的校准
虽然示波器丫轴和X轴上有分度值可读数，但该分度值只是一个参考值，存在一定误差，且X轴和Y轴增益可微调会改变分度值。
所以，用数字交流电压表测量正弦信号电压，并且将正弦波输入X轴或丫轴进行分度值校准是必要
的。
将被测样品（铁氧体）用电阻替代，从Ri上将正弦信号输入X轴，用交流数字电压表测量Ri两端电压U有效，从而可以计算示波器该档的分度值（单位V/cm）,见图3。
须注意：
1、数字电压表测量交流正弦信号，测得得值为有效值u有效。
而示波器显示的该正弦信号值为正弦波电压峰-峰值U峰峰。
两者关系是
u峰—峰—22U有效（7）
2、用于校准示波器X轴档和Y轴档分度值的波形必须为正弦波，不可用失真波形。
用上述方法可以对示波器丫轴和X轴的分度值进行校准。
动态磁滞回线实验仪由可调正弦信号发生器、交流数字电压表、示波器、待测样品（软磁铁氧体、硬磁Cr12模具钢）、电阻、电容、导线等组成。
其外型结构如图4所示
FD-BH-2动态磁滞回线实验仪
图4动态磁滞回线实验仪外观
4.实验内容
必做实验
（一）观察和测量软磁铁氧体的动态磁滞回线
仁按图2要求接好电路图。
2.把示波器光点调至荧光屏中心。
磁化电流从零开始，逐渐增大磁化电流，
直至磁滞回线上的磁感应强度B达到饱和（即H值达到足够高时，曲线有变平坦的趋势，这一状态属饱和）。
磁化电流的频率f取50Hz左右。
示波器的X轴和丫轴分度值调整至适当位置，使磁滞回线的Bm和Hm值尽可能充满整个荧光屏，且图形为不失真的磁滞回线图形。
3.记录磁滞回线的顶点Bm和Hm，剩磁Br和矫顽力血三个读数值（以长度为单位），在作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线。
4.对X轴和Y轴进行校准。
计算软磁铁氧体的饱和磁感应强度Bm和相应的磁场强度Hm、剩磁Br和矫顽力He。
磁感应强度以T为单位，磁场强度以A/m为单位。
5.测量软磁铁氧体的基本磁化曲线。
现将磁化电流慢慢从大至小，退磁至零。
从零开始，由小到大测量不同磁滞回线顶点的读数值Bi和Hi，用作图纸作铁氧体的基本磁化曲线（BH关系）及磁导率与磁感应强度关系曲线（H曲线），其
（二）观测硬磁Cr12模具钢（铬钢）材料的动态磁滞回线
1.将样品换成Cr12模具钢硬磁材料，经退磁后，从零开始电流由小到大增加磁化电流，直至磁滞回线达到磁感应强度饱和状态。
磁化电流频率约为f=50Hz左右。
调节X轴和丫轴分度值使磁滞回线为不失真图形。
（注意硬磁材料交流磁滞回线与软磁材料有明显区别，硬磁材料在磁场强度较小时，交流磁滞回线为椭圆形回线，而达到饱和时为近似矩形图形，硬磁材料的直流磁滞回线和交流磁滞回线也有很大区别。
（见参考资料7）
2.对X轴和Y轴进行校准，并记录相应的Bm和Hm,Br和He值，在作图纸上
近似画出硬磁材料在达到饱和状态时的交流磁滞回线。
选做实验
1.测量取样电阻Ri和电阻R2、电容C的值。
（a）电阻的测量
将电阻箱R和待测电阻R2（或
RJ串联，并与正弦交流信号
源相接，用交流电压表测量信
公共点
电压Ur,那么，由
电源又不短路。
测量电路如图5所示。
（b）电容的测量
电容的值C约为4.7F。
若交流电频率f50Hz,即其阻抗约为
2.用交流电压表测量软磁铁氧体材料得基本磁化曲线（BH曲线）。
3.测量硬磁模具钢材料椭圆交流磁滞回线的交流参量。
见（参考文献7）
5.实验数据例（仅供参考）
铁氧体基本磁化曲线与磁滞回线的测量
测量铁氧体的基本磁化曲线时，先将样品退磁，然后从零开始不断增大电流,记录各磁滞回线顶点的B和H值，直至达到饱和。
注意由于基本磁化曲线各段的斜率并不相同，一条曲线至少20余个实验数据点，实验结果如表
1所示。
（本示波器1div1.00cm，估读至1/4小格，即0.05cm）。
表1软磁铁氧体基本磁化曲线的测量
Ur1/cm
h/（A/m）
UC/cm
b/mT
Ur1/cm
h/（A/m）
UC/cm
b/mT
0.20
4.1
0.10
15.9
2.40
49.8
1.90
302
0.40
8.3
0.25
39.8
2.60
54.0
1.95
310
0.60
12.5
0.45
71.6
2.80
58.1
2.00
318
0.80
16.6
0.65
103
3.00
62.3
2.05
326
1.00
20.8
0.90
143
3.20
66.4
2.10
334
1.20
24.9
1.05
167
3.40
70.6
2.15
342
1.40
29.1
1.20
191
3.60
74.7
2.15
342
1.60
33.2
1.40
223
3.80
78.9
2.20
350
1.80
37.3
1.55
247
4.00
83.0
2.20
350
2.00
41.5
1.65
263
4.20
87.2
2.20
350
2.20
45.7
1.80
287
4.40
91.3
2.20
350
并且记录得到矫顽力He在示波器上显示0.55cm，剩磁Br在示波器上显示1.00cm，饱和磁感应强度在示波器上显示2.20cm。
根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线:
去掉线圈，串入标准电阻箱，保证示波器
20mV档不变，调节电阻R0使示波器上出现稳定的正弦波且峰峰值在示波器上读为3.00cm，用交流数字电压表测量R1两端电压得有效值为21.1mV,U峰-峰=22.U有效=2一2X21.1mV=42.22mV。
所以X轴灵敏度
=42^=19.89mV
3.00
示波器Y轴定标:
因为电容两端输出不失真的正弦波，所以可以直接将电容两端的电压信号
送入示波器得峰峰值在示波器上显示为4.60cm用交流数字电压表测量电容两
端电压U有效=16.2mV。
U峰-峰=2、-2.U有效=22X16.2mV。
所以Y轴灵敏度
=迸护=9.96mV。
初级线圈和次级线圈匝数相等，即2N2200匝，电阻
R12.00,R251.0103，电容C4.70106F,所以磁场强度
磁感应强度BR2CUC51.01047。
1060.00996Uc0.1534Uc（T）159.2UcmTN2S2007510
根据上面记录数据得到：
矫顽力He20.760.50511.4A/m
剩磁Br1.00159.2159mT
饱和磁感应强度Bm159.22.20350mT
6.思考题
1.在公式⑶中，UcR2i2时可将Ue忽略，E2R2i2。
考虑一下，由这项忽略
引起的不确定度有多大？
2.在测量BH曲线过程，为何不能改变X轴和Y轴的分度值？
3.示波器显示的正弦波电压值与交流电压表显示的电压值有何区别？
两者之间如何换算？
4.硬磁材料的交流磁滞回线与软磁材料的交流磁滞回线有何区别？
5.准确测量电阻R、R2和电容C还有那些方法？
7.参考资料
1.梅文余，<<动态磁性测量>>，北京，机械工业出版社，1985
2.宛德福，罗世华，<<磁性物理>>，北京，电子工业出版社，1987
3.贾玉润，王公治，凌佩玲，<<大学物理实验>>，上海，复旦大学出版社，
1987;251,255
4.袁禄裕，<<电磁测量>>，哈尔滨工业学院，机械工业出版社1980
5.沈元华，陆申龙，<<基础物理实验>>，北京，高等教育出版社，2003
6.［美］J.D.克劳斯，<<电磁学>>安绍黄译，北京，人民邮电出版社，1979.3:
260-272
7.冯冰李冬晓陆申龙，椭圆交流磁滞回线和交流参量的测定，物理实验，第
21卷第5期（总第129期，2001.5:
45-48）
8.复旦天欣科教仪有限公司，FD-BH-I型磁性材料磁滞回线和磁化曲线测定仪
（静态法）产品说明书，2003.
附录：
软磁材料和硬磁材料介绍
磁滞回线所围面积很小的材料称为软磁材料。
这种材料的特点是磁导率较
高，在交流下使用时磁滞损耗也较小，故常作电磁铁或永磁铁的磁轭以及交流导磁材料。
如电工纯铁、坡莫合金、硅钢片、软磁铁氧体等都属于这一类。
磁滞回线所围面积很大的材料称为硬磁材料，其特征常常用剩余磁感应强度Br和
矫顽力Hc，此两个特定点数值表示。
Br和Hc大的材料可作为永久磁铁使用。
有时也用BH乘积的最大值（BH）max衡量硬磁材料的性能，称为最大磁能，硬磁材料典型例子是各种磁钢合金和永久钡铁氧体。
FD-BH-2动态磁滞回线实验仪
装箱清单
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机号：
日期：
年月日
名称
数量
备注
1、FD-BH-2主机
1台
含频率计和交流数字电压表
2、动态磁滞回线实验平台
1台
含（模具钢壹个、铁氧体壹个）
3、二芯电源线
1根
4、红黑短线
4根
各两根
5、双叉头连接线
2根
各一根
6、Q9对接线
2根
7、仪器使用说明书
1份
8、合格证
1份
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