内容发布更新时间 : 2024/6/1 21:18:10星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验十三 用示波器法测量铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线

本实验中用交流电对铁磁材料样品进行磁化，测得的B?H曲线称为“动态磁滞回线”。 【实验目的】

1．利用动态法测量磁性材料的磁化曲线和磁滞回线； 2．了解磁性材料的基本特性；

3．了解磁性材料的退磁以及磁锻炼的方法。 【实验仪器】

TH/KH—MHC型智能磁滞回线实验仪、磁滞回线测试仪、示波器、电源、导线等。 【实验原理】

磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主要特征。本实验仪用交流电对铁磁材料样品进行磁化，测绘的B-H曲线称为动态磁滞回线。测量铁磁材料动态磁滞回线的方法很多，用示波器测绘动态磁滞回线具有直观、方便、迅速及能在不同磁化状态下（交变磁化及脉冲磁化等）进行观察和测绘的独特优点。

1．铁磁材料的磁滞特性

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。其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率μ=B/H很高。另一特征是磁滞，铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间关系的特性。即磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线。

将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化，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，当磁场强度H从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上升，如曲线oa所示，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B达到饱和值BS，这个过程的oabS曲线称为起始磁化曲线。如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B的值也要减小。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，对应的B值比原先的值大，说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。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，这种现象称为磁滞。磁滞的明显特征是当H＝O时，磁感应强度B值并不等于0，而是保留一定大小的剩磁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，可以施加反向磁场。当反向磁场强度等于某一定值HD时，磁感应强度B值才等于0，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，曲线RD称为退磁曲线。如再增加反向磁场的磁场强H，铁磁材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态，逐渐减小反向磁场的磁场强度至0时，B值减小为Br。这时再施加正向磁场，B值逐渐减小至0后又逐渐增大至饱和状态。

图1还表明，当磁场按HS→O→HC→-HS→O→HD′→HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDS?R?D?S变化，可以看出磁感应强度

B值的变化总是滞后于磁场强度H的变

化，这条闭合曲线称为磁滞回线。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。磁滞是铁磁材料的重要特性之一，研究

铁磁材料的磁性就必须知道它的磁滞回线。各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线，主要是磁滞回线的宽、窄不同和矫顽力大小不同。

当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热，要消耗额外的能量，因为反复磁化时磁体内分子的状态不断改变，所以分子振动加剧，温度升高。使分子振动加剧的能量是产生磁场的交流电源供给的，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种在反复磁化过程中能量的损耗称为磁滞损耗，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。

应该说明，当初始状态为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。

图1 铁磁物质B与H的关系曲线 图2 铁磁材料的基本磁化曲线 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、矫顽力小(<102A/m)、剩磁和磁滞损耗均较小，磁滞特性不显著，可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性，这种材料容易磁化，也容易退磁，是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大（>102A/m），剩磁强，磁滞回线所包围的面积肥大，磁滞特性显著，因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁，并且这种剩磁不易消除，可用来制造永磁体。

2．示波器测绘磁滞回线原理

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，样品的磁场强度：

H ? Ni ；L为样品的平均磁路

L图3 不同铁磁材料的磁滞回线

观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图4所示。

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图4 智能磁滞回线实验线路

(1) 式中的N、L、R1均为已知常数，磁场强度H与示波器X输入U1成正比，所以由U1 可确定H。

i?U1R1

H?N?U1LR1(4-1)

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是由测量绕组n和R2C2电路确定的。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应电动势的大小为式中S为样品的横截面积。

d ? 1

?1?2?n????2dt (4-2) B???2dt?dtnSnS

考虑到测量绕组n较小，如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为： ε2?i2R2?U2

式中i2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C2的充电电量为Q，则

U2?QC2?ε2?i2R2?QC2QC2如果选取足够大的R2和C2，使得i2R2>> ，则上式可以近似改写为

?2?i2R2 ∵ i2 ? ? C 2 ? ε 2 ? C 2 R 2 (4-3) 将（4-3）式两边对时间t积分，代入（4-2）式可得

C2R2 n S U 2 （4-4）

B?dQdtdU2dtdU2dt4-1式中C2、R2、n和S均为已知常数。磁场强度B与示波器Y输入U2成正比，所以由U2可确定B。在交流磁化电流变化的一个周期内，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可以看到稳定的磁滞回线。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Rr、矫顽力HD、磁滞损耗[BH]以及磁导率μ等参数。

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【实验步骤与要求】

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UB（即U1和U2）分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔⊥为公共端；

图5 退磁示意图 图6 U2和B的相位差等因素引起的畸变

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5所示；

3)．观察磁滞回线：开启示波器电源，调节示波器，令光点位于荧光屏坐标网格中心，令U＝2.2V，并分别调节示波器x和y轴的灵敏度，使荧光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6所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。记录下?HS，?BS，?HC，?Br各点坐标值，用div表示。（磁滞回线居中）；填下表1，并在报告中用坐标纸画出示意图；

表1

参量 坐标 div ?HS x1 ?HS x2 ?HC ?HC x4 ?BS y1 ?BS y2 ?Br ?Br y4 x3 y3 注意：磁滞回线应尽量大些，以减小荧光屏读数相对误差。 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，将在荧光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，记录下各电压下相应?HS，?BS的坐标值，用div表示。填下表1，并在报告中用坐标纸画出示意图；

表2

电压（V） 参量 坐标 div 坐标 div 坐标 div 坐标 div 坐标 div 坐标 div ?HS x y x y x y x y x y x y ?BS 注意：实验过程中不能改变示波器x和y轴的灵敏度，。

5)．换样品2，重复上述步骤，并观察、比较样品1和样品2磁化性能的不同。 【思考题】

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实验十四 夫兰克—赫兹实验

夫兰克——赫兹实验能研究电子与原子碰撞前后的能量变化，可以观测到汞或氩原子的激发电位和电离电位，从而证明原子能级的存在，为玻尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。

一、实验目的

(1)用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； (2)了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 (3)观察实验现象，加深对玻尔原子理论的理解。 二、实验仪器

夫兰克-赫兹实验仪、电源、示波器。 三、原理和方法

1．玻尔关于原子理论的基本内容

1913年，玻尔（N. bohr）在核式模型的基础上，提出了三个基本假设用于解释氢原子光谱结构，获得了巨大成功。玻尔提出的关于原子理论的三个基本假设是：（1）原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定态”，原子在这些状态时不发射也不吸收能量，各定态的能量是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态；（2）原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能量时，其频率是一定的；（3）电子绕核运动中，其稳定状态必须满足量子化条件。

原子在通常情况下处于低能级（对应于基态），当原子从外界吸收足够能量后，可从低能级跃迁到高能级（对应于激发态）。从基态跃迁到第一激发态时原子所需要的能量称为“临界能量”。原子从低能级跃迁到高能级所需要的能量可以通过吸收具有一定频率的光子来实现，也可通过与其它高速运动粒子的非弹性碰撞而获得能量。本实验中采用电子与原子碰撞的形式给氩原子传递能量。

设电子被加速到原子激发的临界能量的加速电压为U0，即

eU0?E2?E1

（5.7-1）

E1和E2分别为原子处于基态和第一激发态时的能量，式中，而U0则称为原子的第一激发电势。

测定第一激发电势，便于确认原子能级的存在，了解原子的有关物理、化学以及光学等性质。

2．夫兰克-赫兹实验的基本原理

夫兰克-赫兹实验（简称F-H实验）的原理如图1所示。其中夫兰克-赫兹管（简称F-H管）是一只具有双栅极结构的柱面型四极管，管内充有待测的氩气。第一栅极G1与阴极K之间加上约2V的电压，由电源UG1K提供，其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响，提高发射效率。灯丝电源UH加热灯丝H，当灯丝H加热时，阴极的氧化层发射慢电子，慢电子在栅极

G2和阴极K间的加速电场的作用下被加速而取得越来越大的能量，并通过管内氩气朝栅极G2运动。由于阴极与G2的距离较大，电子在加速向G2运动的过程中，可能会与氩原子发生多次碰撞，有的可以穿越加速区间到达G2，有的却无法到达G2，有的即使勉强到达，而所具有的定向速度已经很小了。电源UG2A在栅极G2和极板之间建立一个拒斥场，它使到达G2附近而能量小于eUG2A的电子不能到达极板A。测量极板电路中的电流，可以得知到达基本的电子

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