铁磁材料磁化特性实验的数据处理及相关讨论

米斌周 薛永红 刘迈

(华北科技学院基础部 河北 三河 065201)

1 引言

铁磁材料磁化特性的研究是大学物理实验课中开设的一个综合性实验；实验中需要测量铁磁材料的基本磁化曲线和磁滞回线．由于本实验需要随机采集大量数据，并且需要按照所采集的抽样数据进行数据处理．用手工作图法处理起来不但烦琐，而且误差也比较大．如果使用Origin 6.0软件进行数据处理，则简单方便，而且精确．此外，实验中需要测量一个物理量——矫顽力，它指的是使铁磁材料从磁饱和状态开始退磁过程中磁化方向发生反转时需要的最低外磁场，是铁磁材料的一个重要参数．显而易见，矫顽力是从实验上定义的一个物理量，但问题是如果从矫顽力的定义出发，理论上能否给出其解析表达式，本文也将对此作初步探讨．

2 实验原理

本实验利用KH-MHC型磁滞回线实验仪和KH-MHC型智能磁滞回线测试仪测量铁磁材料的交流磁化特性[1～2]．实验线路图如图1所示．待测样品为EI型硅钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁通密度B而设置的绕组，N=50，n=150．样品的平均磁路长度L=60 mm，截面积S=80 mm2．励磁电源由220 V，50 Hz的市电经变压器隔离，降压后供试样磁化．电源输出电压共分11挡，即0，0.5，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0，2.2，2.5，2.8和3.0 V，各挡电压通过安置在电路板上的波段开关S1实现切换．

励磁电流取样电阻为

R1=2.5 Ω

积分电路常量

R2=10 kΩC2=20 μF

根据安培环路定律，可得到样品的磁化场强度

(1)

式(1)中的N,L,R1均为常量，则磁化场强度H正比于电压U1．

在交变磁场作用下，样品的磁通密度瞬时值B是测量绕组n，R2和C2电路给定的．如果选取足够大的R2和C2，可以得到磁通密度B的表达式

(2)

式(2)中C2，R2,n和S均为己知常量， 所以由U2可确定B．

如果把U1和U2加到测试仪的信号输入端，便可测定样品的饱和磁通密度Bm，剩磁Br，矫顽力HC，磁滞损耗(BH)以及磁导率μ等参数．

图1 实验线路图

抽样采集到的数据如表1和表2(数据有删减).

表1 基本磁化曲线测量数据

表2B-H曲线采集抽样数据(U=3.0 V)

H/(A·m-1)0.0013.029.050.070.082.087.097.0102B/T-1.44-1.31-1.15-0.88-0.50-0.150.000.290.42

H/(A·m-1)115131158190242350451502510B/T0.751.081.541.862.122.332.432.472.47

H/(A·m-1)515512508501466431369310243B/T2.472.462.452.442.412.372.312.242.16

H/(A·m-1)17912377280-12-25-44-59B/T2.071.961.841.611.441.331.210.990.74

H/(A·m-1)-71-81-87-89-96-104-71-81-87B/T0.470.170.00-0.07-0.27-0.470.470.170.00

H/(A·m-1)-89-96-104-71-81-87-89-96-104B/T-0.07-0.27-0.470.470.170.00-0.07-0.27-0.47

H/(A·m-1)-114-125-157-215-364-445-494-511-516B/T-0.73-1.00-1.53-2.01-2.34-2.42-2.46-2.47-2.47

H/(A·m-1)-509-502-448-371-278-192-116-59-24B/T-2.45-2.44-2.38-2.31-2.20-2.09-1.95-1.76-1.58

3 实验数据处理

3.1 关于Origin 6.0软件

Origin软件是当今世界上最著名的科技绘图和数据处理软件之一．Origin 6.0与Word，Excel等其他软件一样，是一个多功能、多窗口的工程软件．Origin 6.0采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作，易学易用，适用于处理大量数据．在大学物理实验教学中通过教师的指导和示范操作，学生能较快掌握使用此软件处理实验数据的方法．

3.2 基本磁化曲线和μ-H曲线

(a)实验样品的基本磁化曲线 (b) μ-H曲线

3.3 饱和磁滞回线(B-H曲线)

在测量基本磁化曲线时，可以通过示波器观察.随着励磁电源电压的增大，看到了一组逐渐增大并趋于饱和的磁滞回线．当励磁电源电压达到3 V时，磁滞回线成为饱和磁滞回线．利用Origin 6.0软件处理测量数据，如图3所示．样品的矫顽力HC=87 A/m，剩磁Br=1.44 T，饱和磁通密度Bm=2.47 T，饱和磁化场强度Hm=515 A/m．

图3 实验样品的饱和磁滞回线

4 关于矫顽力的一点讨论

矫顽力是指使系统磁化方向发生反转的最低外磁场，即样品从磁饱和状态(这里指磁通密度B)开始，单调降低外磁场(正向最大降到零，再到负向最大)时所得退磁曲线与横轴H的交点坐标的绝对值HC，称为矫顽力(图3)．矫顽力的物理意义是表征磁性材料在磁化以后保持磁化状态的能力，它是磁性材料的一个重要参数．

实际的铁磁材料都是多畴材料，要从理论上计算其矫顽力太复杂，极难做到． 笔者曾利用量子统计理论的多体格林函数方法研究了单壁铁磁性纳米管的磁学性质，在理论上对它的矫顽力做了数值解[3]．研究结果表明，即使对于单畴铁磁性材料，理论上也得不到矫顽力的解析解，只能做数值解．因为当磁化强度(或磁通密度)反向时，系统将处于非平衡态，此时的热力学过程不能用平衡态理论来处理．但是在磁化方向发生反转的两侧，系统又都处于平衡态，所以可以从理论上做它的数值解．其方法是对与磁化强度(或磁通密度)为零两侧对应的外磁场值取平均，此值即为矫顽力的数值解．因此，如果不考虑仪器精度等因素，矫顽力是一个实验上可以做到精确测量的物理量，而在理论上只能做数值解，很难得到解析表达式．

参考文献

1 张晓春，张琳，冯翠菊.大学物理实验.徐州：中国矿业大学出版社,2011.193

2 李晶,李海军.大学物理实验.徐州：中国矿业大学出版社,2009.194

3 Bin-Zhou Mi, Huai-YuWang and Yun-Song Zhou. Theoretical investigations of magnetic properties of ferromagnetic singlewalled Nanotubes, J. Magn. Magn. Mater. 2010, 322(8): 952～958