軟磁材料磁導率測量實驗探索

董向成，吳學勇

(蘭州城市學院培黎工程技術(shù)學院，甘肅 蘭州　730070)

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軟磁材料磁導率測量實驗探索

董向成，吳學勇

(蘭州城市學院培黎工程技術(shù)學院，甘肅 蘭州730070)

摘 要：軟磁材料磁滯回線細長，計算精度不高時忽略其磁滯，可定義磁感應強度與磁場強度的比為磁導率。利用霍爾效應實驗儀對螺線管加載軟磁材料前后一端的磁感應強度進行測量，計算出該端點處的磁場強度即可計算出該種軟磁材料的磁導率，實驗表明在材料磁飽和后，磁導率迅速降低。

關(guān)鍵詞：磁導率；霍爾電壓；勵磁電流；軟磁材料

軟磁材料其磁滯回線細長，矯頑力小，磁滯損耗低，容易磁化也容易去磁，使這種材料廣泛應用于交變磁場中，可用來制造電磁鐵、電機鐵芯等。由于磁滯回線的存在，B-H曲線是非線性的，但對軟磁材料而言，這一問題能夠較好地解決，考到軟磁材料磁滯回線細長的特點，可以用起始磁化曲線代表B-H關(guān)系曲線，由此磁導率具有確切的意義。由于軟磁材料容易磁飽和，磁導率會先增加，在達到飽和后，隨著磁場的增強，磁導率又會降低，當達到深度飽和時，磁導率將會接近真空磁導率。為獲得空間中的磁感強度及磁場強度，可利用霍爾效應實驗儀進行測量。

霍爾效應是磁電效應的一種，是美國物理學家霍爾于1879年在研究金屬的導電機制時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。TH-H型霍爾效應實驗儀就是利用這種磁電效應開發(fā)的可測量空間磁感強度的儀器[1]。該儀器包括提供及測量勵磁電流部分，霍爾元件控制電流提供及測量，霍爾電壓測量等部分，可完成霍爾片到達空間的磁感應強度的測量?？紤]到測量過程中的副效應，實驗過程可采用對稱法進行測量，測量精度高。

1實驗裝置及理論方法

1.1實驗裝置

TH-H型霍爾效應實驗組合儀，自制螺線管：外半徑r0=1.30 cm，內(nèi)半徑ri= 1.0 cm，長度為8 cm，每層單位長度上的匝數(shù)為n1= 2 537，總匝數(shù)為406。鐵心的半徑為1 cm，長度為8 cm

1.2理論方法

(1)

設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則

(2)

由(1)、(2)兩式可得：

(3)

(4)

上式中的108是由于磁感應強度B用電磁單位(Gs)而其它各量均采用CGS單位而引入。在應用中，(3)式常以如下形式出現(xiàn)：

VH=KHISB

(5)

(6)

稱為霍爾元件靈敏度，IS稱為控制電流。

由(5)式可以得知B的關(guān)系式

(7)

可見，若IS、KH已知，只要測出霍爾電壓VH，即可算出磁場B的大?。徊⑶胰糁d流子類型(n型半導體多數(shù)載流子為電子，P型半導體多數(shù)載流子為空穴),則由VH的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。

由于霍爾效應建立所需時間很短(10-12～10-14s),因此霍爾元件使用交流電或者直流電都可。指示交流電時，得到的霍爾電壓也是交變的，IS和VH應理解為有效值。

由于產(chǎn)生霍爾效應的同時，伴隨多種副效應，以致實測的霍爾電場間電壓不等于真實的VH值，因此必需設(shè)法消除。根據(jù)副效應產(chǎn)生的機理，采用電流和磁場換向的對稱測量法基本上能把副效應的影響從測量結(jié)果中消除[3]。

通過上述測量方法在保證鐵心飽和磁化的條件下，用霍爾效應實驗組合儀對自制螺線管的磁場進行測量，將儀器自帶螺線管測量結(jié)果與自制螺線管測量結(jié)果進行比對，得到器改裝后引入的誤差。在測量螺線管一端磁感強度的基礎(chǔ)上，用公式[4-5]

H=nI

(8)

計算出螺線管一端的磁場強度的理論值，與空氣條件下測量得到的H值進行對比，從而對理論值進行修正?？紤]到軟磁材料的磁滯回線比較細，用起始磁化曲線來代替B-H曲線，從而可定義出磁導率μ

(9)

一般情況下μ的值不是常數(shù)，當外加磁場不太大時，會隨著外加磁場的值增大，對軟磁材料而言，很快會達到磁飽和，在磁飽和后，隨磁場強度增加，磁導率又會快速減小，達到深度飽和后，磁導率將接近真空磁導率。

實驗發(fā)現(xiàn)，軟磁材料較容易達到磁飽和。將實驗用鐵心放入螺線管中，當加在螺線管上的勵磁電流足夠大時，即可達到飽和磁化，此時的μ將會變得很小[6-7]。

2結(jié)果及分析

實驗設(shè)備中霍爾元件的霍爾系數(shù)RH數(shù)值由設(shè)備生產(chǎn)廠家給出RH=0.077 7(cm3C-1)，霍爾元件的厚度為d=0.5(mm)，霍爾元件靈敏度為KH=1.554(mv/mA·KGS)，通過實驗發(fā)現(xiàn)當螺線管勵磁電流為1A時，鐵心可達到磁飽和，因此實驗所用勵磁電流定為1A。

由公式(8)可以求得不同IS對應的VH值，然后運用origin軟件對VH和IS進行曲線擬合所得圖形如圖1所示。

擬合關(guān)系式為

VH=-0.001 0+0.136 4IS

(10)

計算螺線管一端口(z=l/2=4cm)軸線中心位置理論值[4]

其中μ0=4π×10-7A/m為真空磁導率，螺線管的外半徑r0=1.30 cm，內(nèi)半徑ri= 1.0 cm，每層單位長度上的匝數(shù)為n1=2 537，單位厚度上的層數(shù)為n2=0.7，勵磁電流IM=1A。可知理論值B=0.093 05 KGS，所以測量誤差等于

造成該誤差的原因，一方面是由于螺線在繞制，螺線管參數(shù)測量過程中存在誤差，另一方面是霍爾片與螺線管的相對位置不夠精確造成。

將鐵心放入螺線管中，使之完全耦合，在相同條件下測量螺線管端口的磁感強度。

對含鐵心螺線管一端口軸線位置磁場的VH和IS進行曲線擬合所得圖形如圖2所示。

擬合關(guān)系式為

VH=0.014+0.76IS=0.014+0.76IS

相比不含鐵心的螺線管磁場增加約5.5倍。

通過螺線管的電流I大小由實驗設(shè)備TH-H型霍爾效應測試儀控制；螺線管的總匝數(shù)在制作螺線管時有記錄，總匝數(shù)為406匝。而螺線管的長度為8 cm。

式中N為螺線管的總匝數(shù)；l為螺線管的長度。則螺線管端口處的磁場強度為

將該值與含鐵心螺線管端口磁感強度測得值代入(9)式得

從實驗結(jié)果看出，在達到磁飽和后，與其起始磁導率相比，軟磁材料的磁導率隨磁場強度的增加變得非常小，若進入深度飽和后，介質(zhì)的磁導率還會降低，可接近真空磁導率。

參考文獻：

[1]將秉植.磁場測量的方法與動向[J].電測與儀表,1993,18(9):18-23.

[2]馮永忠.霍爾效應傳感器的原理與診斷閉[J].檢測技術(shù),2008,16(2):56-58.

[3]張欣,陸申龍.新型霍爾傳感器的特性及在測量與控制中的應用[J].大學物理,2002,21(10):28-31.

[4]王華軍,李宏福,溫越瓊.螺線管中磁場的計算[J].四川輕化工學院學報,1999,49(12):23-24.

[5]梁燦彬,秦光戎,梁竹健.電磁學[M].第二版.北京:高等教育出版社,2004:283-301.

[6]何森，等.用三角波電流勵磁改進交流磁滯回線實驗[J].大學物理實驗，2014(1)：51-51.

[7]王明美.利用“幾何畫板”探索螺線管的磁場分布[J].大學物理實驗，2015(5)：74-75.

Exploration of Experiment on Measuring Magnetic Permeability of Soft Magnetic Materials

DONG Xiang-cheng,WU Xue-yong

(School of Bailie Engineering and Technology,Lanzhou City Univercity,Gansu Lanzhou 730070)

Key words：magnetic permeability；Hall voltage；field current；soft magnetic material

Abstract：Since the hysteresis loop of the soft magnetic material is thin,in the case of calculation accuracy is not high that the magnetic hysteresis can be neglected,so magnetic permeability can be defined as the ratio of magnetic induction and magnetic field strength.under the condition with and without the iron core,magnetic induction intensity can be measured at one end of the solenoid by Hall effect experiment instrument,calculate magnetic field intensity on the axis of the solenoid,then the magnetic permeability of the soft magnetic matrial can be calculated based on the magnetic intensity.Afer the materia reach the magnetic saturation,experiments show that the magnetic permeability is rapidly decreased.

收稿日期：2015-12-20

基金項目：甘肅省城市發(fā)展研究院項目(2014-GSCFY-KJ12)

文章編號：1007-2934(2016)03-0032-03

中圖分類號：O 441.5

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.010