鐵磁材料磁化特性實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理及相關(guān)討論

米斌周 薛永紅 劉邁

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部 河北 三河 065201)

1 引言

鐵磁材料磁化特性的研究是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中開(kāi)設(shè)的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量鐵磁材料的基本磁化曲線和磁滯回線．由于本實(shí)驗(yàn)需要隨機(jī)采集大量數(shù)據(jù)，并且需要按照所采集的抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．用手工作圖法處理起來(lái)不但煩瑣，而且誤差也比較大．如果使用Origin 6.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則簡(jiǎn)單方便，而且精確．此外，實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量一個(gè)物理量——矯頑力，它指的是使鐵磁材料從磁飽和狀態(tài)開(kāi)始退磁過(guò)程中磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)需要的最低外磁場(chǎng)，是鐵磁材料的一個(gè)重要參數(shù)．顯而易見(jiàn)，矯頑力是從實(shí)驗(yàn)上定義的一個(gè)物理量，但問(wèn)題是如果從矯頑力的定義出發(fā)，理論上能否給出其解析表達(dá)式，本文也將對(duì)此作初步探討．

2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)利用KH-MHC型磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀和KH-MHC型智能磁滯回線測(cè)試儀測(cè)量鐵磁材料的交流磁化特性[1～2]．實(shí)驗(yàn)線路圖如圖1所示．待測(cè)樣品為EI型硅鋼片，N為勵(lì)磁繞組，n為用來(lái)測(cè)量磁通密度B而設(shè)置的繞組，N=50，n=150．樣品的平均磁路長(zhǎng)度L=60 mm，截面積S=80 mm2．勵(lì)磁電源由220 V，50 Hz的市電經(jīng)變壓器隔離，降壓后供試樣磁化．電源輸出電壓共分11擋，即0，0.5，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0，2.2，2.5，2.8和3.0 V，各擋電壓通過(guò)安置在電路板上的波段開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)切換．

勵(lì)磁電流取樣電阻為

R1=2.5 Ω

積分電路常量

R2=10 kΩC2=20 μF

根據(jù)安培環(huán)路定律，可得到樣品的磁化場(chǎng)強(qiáng)度

(1)

式(1)中的N,L,R1均為常量，則磁化場(chǎng)強(qiáng)度H正比于電壓U1．

在交變磁場(chǎng)作用下，樣品的磁通密度瞬時(shí)值B是測(cè)量繞組n，R2和C2電路給定的．如果選取足夠大的R2和C2，可以得到磁通密度B的表達(dá)式

(2)

式(2)中C2，R2,n和S均為己知常量， 所以由U2可確定B．

如果把U1和U2加到測(cè)試儀的信號(hào)輸入端，便可測(cè)定樣品的飽和磁通密度Bm，剩磁Br，矯頑力HC，磁滯損耗(BH)以及磁導(dǎo)率μ等參數(shù)．

圖1 實(shí)驗(yàn)線路圖

抽樣采集到的數(shù)據(jù)如表1和表2(數(shù)據(jù)有刪減).

表1 基本磁化曲線測(cè)量數(shù)據(jù)

表2B-H曲線采集抽樣數(shù)據(jù)(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 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 關(guān)于Origin 6.0軟件

Origin軟件是當(dāng)今世界上最著名的科技繪圖和數(shù)據(jù)處理軟件之一．Origin 6.0與Word，Excel等其他軟件一樣，是一個(gè)多功能、多窗口的工程軟件．Origin 6.0采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮?，易學(xué)易用，適用于處理大量數(shù)據(jù)．在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過(guò)教師的指導(dǎo)和示范操作，學(xué)生能較快掌握使用此軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法．

3.2 基本磁化曲線和μ-H曲線

(a)實(shí)驗(yàn)樣品的基本磁化曲線 (b) μ-H曲線

3.3 飽和磁滯回線(B-H曲線)

在測(cè)量基本磁化曲線時(shí)，可以通過(guò)示波器觀察.隨著勵(lì)磁電源電壓的增大，看到了一組逐漸增大并趨于飽和的磁滯回線．當(dāng)勵(lì)磁電源電壓達(dá)到3 V時(shí)，磁滯回線成為飽和磁滯回線．利用Origin 6.0軟件處理測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖3所示．樣品的矯頑力HC=87 A/m，剩磁Br=1.44 T，飽和磁通密度Bm=2.47 T，飽和磁化場(chǎng)強(qiáng)度Hm=515 A/m．

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品的飽和磁滯回線

4 關(guān)于矯頑力的一點(diǎn)討論

矯頑力是指使系統(tǒng)磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)的最低外磁場(chǎng)，即樣品從磁飽和狀態(tài)(這里指磁通密度B)開(kāi)始，單調(diào)降低外磁場(chǎng)(正向最大降到零，再到負(fù)向最大)時(shí)所得退磁曲線與橫軸H的交點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)值HC，稱為矯頑力(圖3)．矯頑力的物理意義是表征磁性材料在磁化以后保持磁化狀態(tài)的能力，它是磁性材料的一個(gè)重要參數(shù)．

實(shí)際的鐵磁材料都是多疇材料，要從理論上計(jì)算其矯頑力太復(fù)雜，極難做到． 筆者曾利用量子統(tǒng)計(jì)理論的多體格林函數(shù)方法研究了單壁鐵磁性納米管的磁學(xué)性質(zhì)，在理論上對(duì)它的矯頑力做了數(shù)值解[3]．研究結(jié)果表明，即使對(duì)于單疇鐵磁性材料，理論上也得不到矯頑力的解析解，只能做數(shù)值解．因?yàn)楫?dāng)磁化強(qiáng)度(或磁通密度)反向時(shí)，系統(tǒng)將處于非平衡態(tài)，此時(shí)的熱力學(xué)過(guò)程不能用平衡態(tài)理論來(lái)處理．但是在磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)的兩側(cè)，系統(tǒng)又都處于平衡態(tài)，所以可以從理論上做它的數(shù)值解．其方法是對(duì)與磁化強(qiáng)度(或磁通密度)為零兩側(cè)對(duì)應(yīng)的外磁場(chǎng)值取平均，此值即為矯頑力的數(shù)值解．因此，如果不考慮儀器精度等因素，矯頑力是一個(gè)實(shí)驗(yàn)上可以做到精確測(cè)量的物理量，而在理論上只能做數(shù)值解，很難得到解析表達(dá)式．

參考文獻(xiàn)

1 張曉春，張琳，馮翠菊.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2011.193

2 李晶,李海軍.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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