鐵磁材料磁化特性實驗的數(shù)據(jù)處理及相關討論

米斌周 薛永紅 劉邁

(華北科技學院基礎部 河北 三河 065201)

1 引言

鐵磁材料磁化特性的研究是大學物理實驗課中開設的一個綜合性實驗；實驗中需要測量鐵磁材料的基本磁化曲線和磁滯回線．由于本實驗需要隨機采集大量數(shù)據(jù)，并且需要按照所采集的抽樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理．用手工作圖法處理起來不但煩瑣，而且誤差也比較大．如果使用Origin 6.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，則簡單方便，而且精確．此外，實驗中需要測量一個物理量——矯頑力，它指的是使鐵磁材料從磁飽和狀態(tài)開始退磁過程中磁化方向發(fā)生反轉時需要的最低外磁場，是鐵磁材料的一個重要參數(shù)．顯而易見，矯頑力是從實驗上定義的一個物理量，但問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式，本文也將對此作初步探討．

2 實驗原理

本實驗利用KH-MHC型磁滯回線實驗儀和KH-MHC型智能磁滯回線測試儀測量鐵磁材料的交流磁化特性[1～2]．實驗線路圖如圖1所示．待測樣品為EI型硅鋼片，N為勵磁繞組，n為用來測量磁通密度B而設置的繞組，N=50，n=150．樣品的平均磁路長度L=60 mm，截面積S=80 mm2．勵磁電源由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，各擋電壓通過安置在電路板上的波段開關S1實現(xiàn)切換．

勵磁電流取樣電阻為

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強度

(1)

式(1)中的N,L,R1均為常量，則磁化場強度H正比于電壓U1．

在交變磁場作用下，樣品的磁通密度瞬時值B是測量繞組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加到測試儀的信號輸入端，便可測定樣品的飽和磁通密度Bm，剩磁Br，矯頑力HC，磁滯損耗(BH)以及磁導率μ等參數(shù)．

圖1 實驗線路圖

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 實驗數(shù)據(jù)處理

3.1 關于Origin 6.0軟件

Origin軟件是當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、面向對象的窗口菜單和工具欄操作，易學易用，適用于處理大量數(shù)據(jù)．在大學物理實驗教學中通過教師的指導和示范操作，學生能較快掌握使用此軟件處理實驗數(shù)據(jù)的方法．

3.2 基本磁化曲線和μ-H曲線

(a)實驗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)

在測量基本磁化曲線時，可以通過示波器觀察.隨著勵磁電源電壓的增大，看到了一組逐漸增大并趨于飽和的磁滯回線．當勵磁電源電壓達到3 V時，磁滯回線成為飽和磁滯回線．利用Origin 6.0軟件處理測量數(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，飽和磁化場強度Hm=515 A/m．

圖3 實驗樣品的飽和磁滯回線

4 關于矯頑力的一點討論

矯頑力是指使系統(tǒng)磁化方向發(fā)生反轉的最低外磁場，即樣品從磁飽和狀態(tài)(這里指磁通密度B)開始，單調降低外磁場(正向最大降到零，再到負向最大)時所得退磁曲線與橫軸H的交點坐標的絕對值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重要參數(shù)．

實際的鐵磁材料都是多疇材料，要從理論上計算其矯頑力太復雜，極難做到． 筆者曾利用量子統(tǒng)計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性質，在理論上對它的矯頑力做了數(shù)值解[3]．研究結果表明，即使對于單疇鐵磁性材料，理論上也得不到矯頑力的解析解，只能做數(shù)值解．因為當磁化強度(或磁通密度)反向時，系統(tǒng)將處于非平衡態(tài)，此時的熱力學過程不能用平衡態(tài)理論來處理．但是在磁化方向發(fā)生反轉的兩側，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．其方法是對與磁化強度(或磁通密度)為零兩側對應的外磁場值取平均，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，矯頑力是一個實驗上可以做到精確測量的物理量，而在理論上只能做數(shù)值解，很難得到解析表達式．

參考文獻

1 張曉春，張琳，馮翠菊.大學物理實驗.徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2011.193

2 李晶,李海軍.大學物理實驗.徐州：中國礦業(yè)大學出版社,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