实验十一 磁性材料基本特性的研究
磁性材料在电力、通讯、电子仪器、汽车、计算机和信息存储等领域有着十分广泛的
应用．磁滞回线和居里温度是表征磁性材料的两个基本特性．磁滞回线反映磁性材料在外
磁场中的磁化特性，而居里温度则是磁性材料由铁磁性转变为顺磁性的相变温度．
本实验通过对软磁铁氧体材料居里温度及动态磁滞回线的测量，加深对这一磁性材料
基本特性的理解．
【 实验目的 】
1．了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线概念，加深对铁磁材料的主要物理量矫顽磁力、
剩磁和磁导率的理解；
2．利用示波器观察并测量磁化曲线与磁滞回线；
3．测定所给定的铁磁材料的居里温度．
【实验原理】
1．磁化性质
一切可被磁化的物质叫作磁介质．磁介质的磁化规律可用磁感应强度 B、磁化强度 M、
磁场强度 H 来描述，它们满足以下关系
HHH)()MH(B
rm
μμμμχμ ==+=+=
000
1 （1 ）
式中， μ
0
= 4π?10
?7
H/m为真空磁导率， χ
m
为磁化率， μ
r
= χ
m
+1 = B/μ
0
H为相对磁导率，是
一个无量纲的系数． μ = μ
r
μ
0
为绝对磁导率．对于顺磁性介质，磁化率 χ
m
> 0， μ
r
略大于 1；
对于抗磁性介质， χ
m
< 0，一般 χ
m
的绝对值在 10
-4
～10
-5
之间， μ
r
略小于 1；而铁磁性介质
的 χ
m
>> 1，所以， μ
r
>> 1．
图 1 磁化曲线和 μ ~ H 曲线 图 2 μ ~ T 曲线
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对非铁磁性的各向同性的磁介质， H和B之间满足线性关系， B = μH，而铁磁性介质的
μ 、 Β 与 H 之间有着复杂的非线性关系．一般情况下，铁磁质内部存在自发的磁化强度，
当温度越低自发磁化强度越大．图 1 是典型的磁化曲线（B-H 曲线），它反映了铁磁质的共
同磁化特点：随着H 的增加，开始时B 缓慢的增加，此时 μ 较小；而后便随H 的增加B 急剧
增大， μ 也迅速增加；最后随H 增加， B趋向于饱和，而此时的 μ 值在到达最大值后又急剧
减小．图 1 表明了磁导率 μ 是磁场H 的函数．从图 2 中可看到，磁导率 μ 还是温度的函数，
当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态，在曲线上变化率最大的点所
对应的温度就是居里温度T
C
．
2．磁滞性质
铁磁材料除了具有高的磁导率外，另
一重要的特性是磁滞现象．当铁磁材料磁
化时，磁感应强度B 不仅与当时的磁场强
度H 有关，而且与磁化的历史有关，如图 3
所示．曲线OA 表示铁磁材料从没有磁性开
始磁化， B随H 的增加而增加，称为磁化曲
线．当H 值到达某一个值H
S
时， B值几乎不
再增加，磁化趋于饱和．如使得H 减少， B
将不再沿着原路返回，而是沿另一条曲线
AC
'
A
'
下降，当 H从 -H
S
增加时，B 将沿着
A
'
CA曲线到达 A形成一闭合曲线．其中当
H = 0 时， |B| = BB
r
，B
r
称为剩余磁感应强
度．要使得B
r
B 为零，就必须加一反向磁场，
当反向磁场强度增加到H = -H
C
时，磁感应
强度B 为零，达到退磁，H
C
称为矫顽力．各种铁磁材料有不同的磁滞回线，主要区别在于
矫顽力的大小，矫顽力大的称为硬磁材料，矫顽力小的称为软磁材料．
图 3 磁化曲线和磁滞回线
3．用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线
图 4 用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线的电路图
图 4 为用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线的电路图．本实验研究的是闭合状的铁
磁圆环样品，铁磁样品平均磁路为L ，励磁线圈的匝数为N
1
，若励磁电流为i
1
时，在样品内
根据安培环路定律，有
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（2 ）
11
iNHL =
则示波器 X 轴偏转板输入电压
H
N
LR
iRU
R
1
1
11
1
== （3 ）
式中的R
1
、L 、N
1
均为常数，这表明X 轴输入电压的大小U
R1
与磁场强度H 成正比．
设样品的截面积为S ，根据电磁感应定律，在匝数为N
2
的次级线圈中，感应电动势为
t
B
SN
d
d
22
?=ε （4 ）
考虑带次级线圈的匝数N
2
较少，自感电动势可忽略，在R
2
、 C所构成的回路中适当的选
取R
2
、C 值使得R
2
>>1/ωC，则
222
iR=ε （5 ）
将
dt
du
C
dt
dq
i
C
== 代入（5 ）式，并利用（4 ）式可得
B
CR
SN
U
C
2
2
?= （6 ）
上式表明Y 轴输入的大小U
C
与磁感应强度B成正比．
4．用交流电桥测量居里温度
铁磁材料的居里温度可用任何一种交流电桥测量．交流电桥种类很多，如麦克斯韦电
桥、欧文电桥等，但大多数电桥可归结为如图 4 所示的四臂阻抗电桥，电桥的四个臂可以
是电阻、电容、电感的串联或并联的组合．调节电桥的桥臂参数，使得 CD 两点间的电位
差为零，电桥达到平衡，则有
4
3
2
1
Z
Z
Z
Z
= （7 ）
若要上式成立，必须使复数等式的模量和辐角分别相等，于是有
4
3
2
1
Z
Z
Z
Z
= （8 ）
3241
???? +=+ （9 ）
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由此可见，交流电桥平衡时，除了阻抗大小满足（8 ）式外，阻抗的相角还要满足（9 ）
式，这是它和直流电桥的主要区别．
图 5 交流电桥的基本电路 图 6 RL 交流电桥
本实验采用如图 5 所示的RL 交流电桥，在电桥中输入电源由信号发生器提供，在实验
中应适当选择较高的输出频率， ω 为信号发生器的角频率．其中Z
1
和Z
2
为纯电阻， Z
3
和Z
4
为
电感（包括电感的线性电阻r
1
和r
2
），其复阻抗为
2241132211
LjrZLjrZRZRZ ωω +=+===，，， （11 ）
当电桥平衡时有
)( )(
112221
LjrRLjrR ωω +=+ （12）
实部与虚部分别相等，得
1
1
2
21
1
2
2
L
R
R
Lr
R
R
r ==， （13）
选择合适的电子元件相匹配，在未放入铁氧体时，可直接使电桥平衡，但当其中一个
电感放入铁氧体后，电感大小发生了变化，引起电桥不平衡．随着温度的上升到某一个值
时，铁氧体的铁磁性转变为顺磁性， CD 两点间的电位差发生突变并趋于零，电桥又趋向于
平衡，这个突变的点对应的温度就是居里温度．可通过桥路电压与温度的关系曲线，求其
曲线突变处的温度，并分析研究在升温与降温时的速率对实验结果的影响．
由于被研究的对象铁氧体置于电感的绕组中，被线圈包围，所以当放入硅油中加热时，
若加温速度过快，则硅油温度将与铁氧体实际温度不同（加温时，铁氧体温度低于油温，
降温时，铁氧体温度高于油温），这种滞后现象在实验中必须加以重视．只有在动态平衡的
条件下，磁性突变的温度才精确等于居里温度．
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【仪器设备】
数字万用表，铂电阻温度计，加热装置，实验接线板，功率函数信号发生器，双踪示
波器，被测样品和实验配件等．
【实验内容】
1．在信号源频率（1 KHz ~ 2 KHz）一定条件下，观察R
2
阻值不同时样品的磁化过程；
2．选择合适的R
2
值，测量此时的饱和磁滞回线；
3．作磁滞回线图，同时计算这一条件下的样品参数（如H
c
等）；
2．用电桥法测量铁氧体的居里温度T
C
．
【注意事项】
1． 测量过程中，需保持示波器的灵敏度S
x
和S
y
不变．
【参考资料】
[1] 程守珠，江之永 ． 普通物理学（第五版） ． 北京：高等教育出版社，1998
[2] 赵凯华，陈熙谋 ． 电磁学．北京：人民教育出版社，1980
[3] 谢行怒，康士秀，霍剑青 ． 大学物理实验（第二册）．北京：高等教育出版社，2001
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