大学物理设计性实验软磁材料静态磁特性测定.docx
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大学物理设计性实验软磁材料静态磁特性测定
软磁材料静态磁特性的测定
一、实验任务
首先要学习设计性实验的基本内容、基本的类型以及一般的程序，以此为基础掌握设计性实验的一般步骤。
设计测定软磁材料静态特性的实验，掌握冲击电流计的工作原理、结构及特性。
利用实验室所提供的器材测量冲击电流计的冲击常数，并利用冲击电流计来测量软磁材料的静态特性。
二、实验要求
要求对冲击电流计的结构、工作原理有充足的认识，这是做好用冲击电流计测量软磁静态特性实验的基础，同时要知晓冲击电流计的冲积常数的测量方法，设计相应的实验电路来测量。
设计电路利用冲击电流计测量并绘制出软磁材料的静态磁特性曲线。
三、实验方案
1、物理模型的比较与选择
在各种电器的铁芯中软磁材料大多形成闭合磁路，所以采用闭合样品进行测量与实际应用场合符合最好，同时也可以消除退磁场带来的影响。
常见的闭合磁路的环状样品形状如图所示。
闭合环路样品
在环路样品上绕N1匝初级线圈和N2匝次级线圈。
初级线圈里通过电流i1,在磁环中产生磁场，其场强：
，
l是样品的平均长度，R1是与初级线圈串联的电阻，u1是R1两端的电压。
电路图如下：
测量螺绕环的参考电路
进行软磁的静态测量，电流由直流电源来提供。
样品被磁化后，进而在测量线圈中产生感应电动势。
设在测量线圈中产生的磁场垂直于匝数为N2，截面积为S的测量线圈的截面。
当励磁电流有一突然变化时（由I—>0），磁感应强度由B变为0，则，
通过测量线圈的电流为
通过线圈的电量为
得到B=
。
若励磁电流由I变为-I，则磁感应强度由B变为-B。
此时
B=
；
其中
为冲击电流计的冲积常数，n为电流计上光标的最大偏转格数,R是回路的总电阻。
冲积常数的测量:
的的测量也可以采用冲击法，
通过换向开关使互感器原边电流由+I变为-I，同样可得：
q’=
;
最后可得：
;
M为标准互感器的互感系数，n’为K倒向Y时冲击电流计的最大偏格数，R是回路的总电阻。
2、实验方法的比较与选择
（1）冲击法:
冲击法主要用于测量在直流情况下的软磁的静态磁特性。
在开始测量之前，要进行退磁，用于消除在试样中可能存在着的剩磁。
为此，应把检流计的短路电键闭合，是检流计中没有电流通过，在磁化绕组里通以电流，其大小应使作用在试样上的磁场强度H比测量时所需要的最大值略大一点。
然后慢慢的减小磁化电流并把开关S不断调节，以使在电流减少区间内有尽可能多的磁化电流循环通过式样。
去磁后，就可以开始测定磁化曲线，把开关S合上后，此时式样中感应强度有一个增量，在冲击电流计上有一个偏转，从而可以计算出相应的H1.B1。
通过改变磁化电路的电阻逐渐增加磁化电流。
如：
增加电流后，使磁场强度增加到H2，并根据所观察到的检流计的冲程确定出磁感应强度相应的增加量
，则与H2对应的B2=H1+
，直到得到H的最大值为止。
即可绘制出B-H曲线。
为求得试样的磁滞回线，在测定B-H图线的过程中，当获得最大的H值时，通过改变磁化电路电阻使磁化电流逐渐减小到零。
励磁电流减小到零后，又把电流反向开关倒向，以获得负的H值，在此以后，当H达到负的最大值后，在减小磁化电流，使励磁电流减小到零，然后在把反向开关倒向，再使H从零增加到最大值。
至此整个磁滞回线的测量工作结束。
（2）示波器法：
示波器主要用于测量在交流的情况下的软磁的磁特性。
磁性材料在交流磁场下的特性比起直流特性要复杂得多。
这是由于涡流和磁滞造成的。
在交流情况下的特点是用种种方法测得的磁性参数都不再象直流情况下那样仅仅取决于被测材料本身的磁性，而与材料的厚度、试样的尺寸以及测量时磁化电源频率等因素有关。
由取样电阻取出的与磁化电流（即磁场强度）有关的信号，加到示波器的X轴上;取自测量线圈的磁通密度信号,经积分器加到示波器的Y轴。
此时,可在示波器的荧光屏上展示出材料试样的动态磁特性回线。
此回线反映在材料中存在磁滞与涡流效应时的磁特性。
（3）电子积分法：
采用RC积分法，通过自动记录磁通随磁场的变化，描绘磁滞回线，然后，由饱和磁滞回线求取BS、Br、Hc。
基本原理电路见图。
G——励磁电源；
L——被测样品；UB——A1放大器输出电压；
A1——B通道高增益放大器；
RH——电流取样无电抗电阻；
UR——电阻RH上电压；
UH——A2放大器输出电压；
A2——H通道高增益放大器；
GX——磁滞回线及BS、Br、HC的记录（显示）器。
N1——样品测试线圈初级绕组；
N2——样品测试线圈次级绕组；
R——无电抗电阻；
C——电容；
UC——电容C上电压；
图中N2绕组的端电压为
由于A1为高增益放大器，则下列式成立：
由Hl=N1I=N1UR/RH，得到样品中的磁化场H为：
鉴于在实验室所提供的仪器情况，选择冲击法来研究软磁材料的静态磁特性。
3、仪器的选择与配套（系统误差分析）
实验仪器：
一个冲击检流计、一个0.01H的标准电感器、一个电源、一个滑线变阻器、一个电流表、一个电阻箱、一个双刀双掷电键、一个单刀双掷电键、一个软磁芯以及漆包线、导线若干。
说明：
其中需要双刀双掷开关作为电路的换向开关。
误差分析:
实际材料的性能不能严格的通过图示来表示，磁滞回线只是理想状态下的图线。
冲击电流计在使用的过程中，由于存在视差，往往会给实验的结果带来一定影响。
检流计指针为零时，电流并不一定为零，只是这个电流还不足以引起电流计指针的偏转，以致无法观察到，这必然会给实验的结果造成一定的误差。
同时冲击电流计的零点不准，及左右偏转扭矩不均匀也会带来系统误差。
4、测量条件与最佳参数的确定
在电气工程及电工仪表中，块状的磁材料用于直流，而片状形式的磁材料则常用于交流。
采用环状式样的缺点在于这样的试样及其激磁绕组的制备手续比棒形式样更困难。
但是由于环形试样没有自去磁效应，可以获得较棒形试样更可靠的结果，因此在测量准确性要求较高的情况下，常用环形试样。
首先计算样品有效截面积S及有效磁路长度l。
为了使样品内部磁化均匀，应在样品上均匀绕上匝数分别为N1、N2的磁化线圈和测量线圈。
一般磁化线圈匝数是测量线圈匝数的2～3倍。
电流表量程选择在满度的2/3处选择合适的测量环境，冲击电流计允许通过的电流很小，要在老师的指导下连接电路，不能把冲击电流计烧毁。
实验中所需要的参数即为冲击电流计的冲积常数，在测量软磁特性之前进行测量。
四、实验步骤
1、准备工作
（1）：
测量铁氧体磁芯的几何尺寸,
D外=45.00mmD内=25.50mmh厚度=8.00mm
计算
（2）：
相关参数：
铁氧体的饱和磁感应强度Bs=0.2~0.4T，
其饱和时的相对磁导率约为2000，所以，Hm=100A/m。
最大励磁电流为Im=0.35A。
（3）:
估算
2.给冲击电流计定标
（1）给定I’,并将S2合到d端，R取1000Ώ，闭合S3和S1，通过调节R’，使电流表的读数为给定的I’。
断开S3，读出冲击电流计的偏转值d’右（或d’左）。
再迅速打开S1，记录下d’左（或d’右），根据这两个数值求d的平均值
。
I’（mA）
d’右（mm）
d’左（mm）
（mm）
350
155.0
245.0
200.0
350
156.0
248.0
202.0
350
150.0
242.0
196.0
350
154.0
247.0
200.5
350
155.0
247.0
201.0
350
153.0
248.0
200.5
由公式计算,n取n0（刻度尺最大偏格22cm）
的90%，留出余量。
=3.5×10-6
估算
3探究软磁材料的静态特性
根据第一次课的估算数据，绕制螺绕环的初级次级线圈。
（1）退磁
首先把K闭合到一端，在磁化线圈中通以电流，然后通过改变磁化电路的电阻来慢慢的减小磁化电流，并把开关K不断的上下来回调节，以使在电流减小区间里有尽可能多的磁化电流循环通过试样。
（2）测定基本磁化曲线
去磁后，就可以测定磁化曲线。
闭合K1，K2，通过改变磁化电路的电阻，确定磁化电流。
试样中的磁感应强度在短时间内有一个增量（从0增加到某个B1值），在冲击电流计上观察偏转，即为d1,由R、S、d1、N2、
：
B1=
；
同样可以计算出
;
改变电流，增加电流，记为I2，可以计算出H2，同时冲击电流计的冲程会增加
，可以计算出
。
B2=B1+
；
用类似的方式，增加H值，测出对应的B值，直到H的最大值为止。
就能测得试样的B-H曲线。
（3）测量软磁材料的磁滞回线
为测得磁滞回线，在测量B-H曲线的时候，当获得最大的H值后，不断减小磁化电路的电流I，使磁化电流逐渐减小到0，此过程中记录冲击电流计的冲程d.计算相应的H、B值。
等激磁电流减小到零后，再把S1倒向，以获得负的H值，此后增加磁化电流I，方式如同
（2）；等H达到负的最大值，再减小磁化电流，此后方式如同前面介绍的，再减小磁化电流，直到激磁电流为零时，S1再倒向，增加磁化电流，直到达到H的最大值。
在以上过程中，对应每一磁化电流下的H、B值都要通过记录的d、I计算出来。
至此整个磁滞回线的测量工作结束。
测量饱和磁滞回线的操作要点：
（1）螺绕环磁化，从小电流测起（取10到15个点，达到最大电流350mA），每
个测量点先“锻炼”10次，再测量。
做I-I+和I-I+，记录左右偏
转格数，取平均，计算。
注意切断检流计。
（2）测量A点，做I-I+和I+I-，得到平均值n,由,计算
BA（Bs）。
（3）励磁电流停留在A点（最大电流350mA），以便测量磁滞回线。
（4）r及r‘的测量
求平均值nr，计算
（5）测量C1-C4:
前面测量回到A点。
迅速调节励磁电流，使H到C1点。
表中B为测量值，由计算。
B及Br都为绝对值。
五、实验注意事项
1、在实验开始前要真正熟悉冲击电流计的结构及其工作原理。
2、冲击电流计是很精细的仪器，在使用的过程中要小心，不能将其烧毁。
3、在开始测量前，要对材料式样进行退磁，以保证在开始测量的时候，材料式样中的磁感应强度为0.
4、在实验中要及时记录实验数据，实验数据较多，要记全。
六、参考文献
张雄.王黎.物理实验设计与研究.北京：
科学出版社，2001.6.
成正维.牛原.大学物理实验.北京：
北京交通大学出版社，2010.5.
李天应.物理实验.武汉：
华中理工大学，2001.1.
曾仲宁.大学物理实验.北京:
中国铁道出版社，2004.9.
实验数据：
S=0.000078
=0.111
N1=32（20）匝N2=172（160）匝注：
括号内为实际值
R=10000Ω
（1）
次数
量
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I（mA）
35
70
105
140
175
210
245
280
315
350
n（mm）
15.0
30.5
45.0
69.5
94.5
119.0
137.5
156.6
167.0
184.0
B1（T）
2.10
8.55
18.93
38.98
66.26
100.12
134.97
175.67
210.76
258.01
（2）A点:
BA（Bs）=258.01T
（3）
励磁电流
I+0
0I-
I-0
0I+
磁化状况
Ar
rA`
A`r`
r`A`
数据记录（mm）
Br=
励磁电流
I+0
0I-
I调到IA，再调到C3点
I-0
0I+
磁化状况
C1r
rC2
C3r`
r`C4
数据记录（mm）
BCI（T）
Br=
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