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磁滞曲线试验.DOC
磁滯曲線實驗
(Hysteresis Loop Experiment)
胡裕民 編寫
實驗目的:
藉由觀察變壓器中鐵芯隨磁場變化下的磁滯曲線,了解鐵磁性物質的磁滯性質。
驗證伯努利定律(Bernoulli’s Law)。
原理介紹:
鐵磁性物質(例如:鐵、鎳、鈷及其合金)之特性是將其與一具磁性之磁石靠近時,彼此間會產生強烈的吸引或排斥力。鐵磁性質中有所謂磁區(magnetic domain)的觀念,此一描述首先由Weiss所提出:具有鐵磁性之物質根據其本身能量分佈的狀態會將同一晶體結構區分成幾個不同的區域,而在此一區域中的磁偶極矩都會指向一個方向,這便是所謂磁區的現象。各磁區之間由一厚度約為數百個原子層的磁壁(domain wall)所隔開,因相鄰兩磁區之磁偶極矩方向不同,其方向會在磁壁中作緩慢的過渡,如圖一所示:
圖一
當存在一外加磁場時,則鐵磁性物質中的磁區不僅將逐漸變大,同時亦會指向同一方向。磁化量的增加起初僅呈緩慢的增加並且是一個可逆的反應,之後當外加磁場逐漸增強後,磁化現象將呈較大幅度的變化,成為不可逆的反應,如圖二所示。
圖二
當此鐵磁性物質受一逐漸增強之外加磁場H作用時,其磁化現象亦將隨之增強;但當外加磁場減為0時,其磁化曲線將不會回到原點,反而處在D點的狀態。此時,D點所具有的磁化量稱為該鐵磁性物質之殘磁量(residual induction ,Br)。若欲使該物質之磁化量歸趨於零,則需外加一反向磁場(如E點之反向磁場)以作為去磁之用,才能使B場為零。此時,E點之H值稱為矯頑磁場(coercivity,Hc)。隨後當反向磁場繼續增加至F點時,其磁化量將呈現反向的飽和。若將磁場再反向增加,則會依循圖中的路徑通過G點後再回到C點。圖二之曲線稱之為磁滯曲線(hysteresis loop)。
在變壓器中環繞鐵蕊的線圈產生的磁場可表示:
(1)
其中N/L、I分別為線圈的等效匝數密度以及線圈電流。此時,所產生的磁通量密度(magnetic flux density,或稱磁感應(magnetic induction))可表示為:
(2)
其中鐵磁物質的相對磁導率(relatively permeability)μr在與外加磁場強度H以及先前對於鐵磁物質的磁處理有關,因此磁感應B並不正比於外加磁場強度H。對於一個去磁的(demagnetized)鐵磁物質,B = 0 T at H = 0 A/m。然而在一般的情況下,當H = 0 A/m時,鐵磁物質仍有一不等於零的殘餘(residual)磁通量密度B。
本實驗並非直接測量H和B,而是測量正比於此兩者的量,包括:線圈電流I以及通過第二鐵蕊的磁通量Φ= N2AB (A為第二鐵蕊的截面積、N2為第二線圈的匝數)。此磁通量Φ可利用在第二線圈所感應的電壓U的積分來計算得到。
實驗裝置:
基本裝置參考圖:(圖一)
圖一
實驗儀器:
電源供應組(Power-CASSY,±10V、±0.1/0.3/1A)……………………………....× 1
感測器介面盒(Sensor-CASSY,5個數位輸入,±0.3/1/3/10/30/100V)……..….× 1
U型鑄鐵(U-core with yoke,高17cm,切面4×4 cm).………………………... × 1
鐵筴(Clamping device)…………………………………………………………... × 1
250圈線圈(Coil with 250 turns,5A)……………………………….…….………× 2
實驗數據分析軟體(CASSY Lab)…….……………………………………………× 1
黑色連接線(Connecting leads,100cm,black)……………………….………….× 4
基本架設步驟:(圖一)
先檢查實驗儀器有無數量短缺或損壞情事,有則報告實驗助教。
電源供應組(Power-CASSY)提供變壓器主要線圈的電流。感測器介面盒(Sensor-CASSY)B輸入端量測第二線圈的感應電壓U,並由此可計算磁通量Φ。
實驗步驟:
將
注意:
接線完成後請助教加以確認後方可進行實驗。
實驗結束後請將各接線拆下,各儀器分開獨立,使下一組在操作時需要重新組裝!
儀器的操作請小心參閱說明書,並請助教確認。
實驗數據:
問題討論:
實驗心得:
3
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