观测变压器矽钢片的动态磁滞回线

选七 观测变压器矽钢片的动态磁滞回线

一、目的要求

应用示波器的观察，加深了解铁磁材料的磁滞特性，并定量测绘矽钢片的饱和磁滞回线和基本磁化曲线。具体要求如下：

1.掌握磁滞、磁滞回线和磁化曲线的概念。加深对铁磁材料主要物理量（如矫顽力、剩磁、磁导率等）的理解。

2.了解用示波器观察磁滞回线的基本原理。

3.学会用示波器测绘磁化曲线和磁滞回线的方法。

4.用示波器观察变压器的励磁电流I0和磁通量?的波形。

二、仪器设备

SBT-5示波器；电容C（1?f左右）；电阻箱二只（R1取儿?；R2取满值）；自耦变压器；待测变压器（N1=1400T，N2=95T）。

三、参考书目

1.林抒、龚镇雄《普通物理实验》P.285-292。

2.华中工学院等合编《物理实验》基础部分P.128-136。 3. 邱关源《电路》P.601-606。

四、基本原理

BBmBr-HcbfHca-Hmc0eHmHd

1. 磁滞性质

铁磁材料除了具有高的导磁率外，另一个重要的特性就是磁滞。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，而且与以前的磁化状态有关（与历史有关）。如图1所示，曲线Oa表示铁磁材料从没有磁性开始磁化。磁感应强度B随磁场强度H增加而增加。这条曲线称为起始磁化曲线。当H值增加到某一值Hm时，B的增加显得极缓慢，和前段相比可看成B不再增加，即达到磁饱和。在材料磁化后，如果使H逐渐见效，B将不沿原路返回，而是沿另一条曲线ab下降；如果H从Hm变到-Hm，再从-Hm变回到Hm，B将随

H

变化而形成一条逼和曲线（即图

1

中的

，称该曲线为磁滞回线。从图1中a???b???c???d???e???f???a曲线）

可以看出：

（1）B的变化总是滞后于H的变化，这种现象叫做磁滞现象。

（2）当H=0时，B不为零。B?Br，通常称Br为铁磁材料的剩磁。 （3）要消除Br、使B为零，必须加一反向磁场—Hc，通常称Hc为矫顽力。 （4）H上升到某一值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值并不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的状态有关。

按一般分类，矫顽力小的铁磁材料成为软磁材料，反之为硬磁材料。

铁磁材料处于周期性变化的磁场中，它被反复磁化，构成动态磁滞回线。在工程上，分别选取不同的最大磁场强度Hm，作出一系列的磁滞回线，然后把这些磁滞回线的顶点连接起来，这条连接起来的B—H曲线叫做铁磁材料的基本磁化曲线（如图2中原点和各个磁滞回线顶点a1,a2??an所连成的曲线）。可以看出，铁磁材料的B和H的关系曲线不是直线，即铁磁材料的导磁率???B不是常数，?的大小除了与铁磁材料本身有关外，还与H材料所出的磁场强弱程度有关。

Ba3a2a10基本磁化曲线H

图3

2.显示磁滞回线

如图3所示，当原线圈N1中通过以交变电流I1时，在铁磁材料内产生的磁场强度H与付线圈N2中产生的交流电动势e2分别为：

H=??N1d?dBI1 （1） e2??N2??N2A （2） IdtdtAL白线变压器Y示波器220VN1R1X待测变压器N2c示波器

图3

式中l为铁磁材料的平均磁路长度，A为磁路截面积。

如果能将与样品励磁强度成正比的电压讯号输入示波器的X轴偏转板，而在Y轴偏转板上加以与样品中磁感应强度成正比的电压讯号，则在示波器屏幕上就会得到样品的B—H曲线，即铁磁材料的磁滞回线。为此，在励磁回路中串接取样电阻R1（R1应远小于线圈N1的感抗，一般为几欧姆），从R1两端取出电压UR1接到示波器的X轴输入端。因为

I1?UR1/R1，所以

H?N1UR1 （3） ?lR1这样，输入X轴的讯号UR1就反映了H的大小。

在付线圈中串入一个足够大的电阻R2（这样可视变压器为空载运行）和电容C，若R2远大于电容C的容抗（即R2>>

i2?而 i2?1）则可认为： ?CU2e ??2 （4）

R2R2dQ2dU2?C （5） dtdt比较式（2）、（4）、（5）得： dB=

R2CRCdU2 或 B=2UC （6） N2AN2A式（6）表明电容上的电压UC是正比B的。只能将UC输入到示波器Y偏转板就能满足要求。

综合上述，当按图3连接线路并将UR1、UC分别输入示波器的X与Y偏转板以后，由于激磁电流I1是50赫兹的交流电流，所以在荧光屏上就可以看到一条连续的磁滞回线。

3.定量测绘：

示波器荧光屏上显示的实际上是UR1与UC的关系曲线。要根据它来定量测绘磁滞回线，必须进行坐标换算。对于给定的样品及一定的测量回路，N1、N2、l、A、B、C、R1及R2都有确定的数值。所以从式（3）与式（6）可知，若知道了所显示图形中的UR1与UC的每对数值。就可以此数据计算出相应的H、B的数值来。

为了求得所显示图形中UR1、UC的绝对数值，可以用已知电压或示波器上的比较讯号（必须保持与测绘图形时示波器的X轴增益和Y轴增益不变），Vp?p对X轴与Y轴分别定标

求出此时使电子束在X与Y方向偏转一厘米所需要的外加电压DX与DY（即DX或DY等于Vp?p除以它在荧光屏上所显示的长度XS或YS）。然后，只要测出所要测量点偏离原点的距离x及y，即可测得对应于该点加在偏转板上的电压绝对值。因而， UR1=UX=DX?x；

UC=UY=DY?y。将它们代入式（3）与式子（6）得：

H?RCDN1DXx （7） B?2yy （8） lR1N2A2式中各量的单位：R1、R2为“?”；l为“m”；A为“m”；C为“f”；DX、DY为“V/cm”；x、y为“cm”;H为“A/m”（安匝米）；B为“T”（特斯拉）。

五、观察与思考：

1.如何测定DX、DY（即定标）值。在测定过程中如何计算它的测量精度。

2.在测量过程中能不能改变示波器X轴、Y轴增益？为什么？衰减档是否可以改变呢？ 3.观察I10与?的波形时，分别在什么元件上取样？示波器的X轴选择应放在什么位置？为什么？

4.为什么R1值取得很小，而R2值取得很大？ 5.本实验在实验前要不要对样品进行退磁？为什么？ 6.能不能讲出实验线路中的电路部分的磁路部分？

7.在较大范围内改变R2的数值，观察图形有何变化并作解释。 六、数据处理提示：

本实验要定量地描绘基本磁化曲线、磁饱和时的磁滞回线和计算饱和时的Hm、HC、

Bm、Br值。

1.作图按要求进行。

2.饱和时的Hm、Bm、HC、Br的不确定度计算，可参照下述方法进行。如UHc的计算

UDx=?2Dx??2Dx??Dx Uxc=?2xc??2xc??xc

UHc=(

NxND?Hc?HcUDC)2?(UXC)2?(1cUXc)2?(1cUXc)2 ?Dx?xclR1lR1