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磁滞回线

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2月21日版本:1.0 张映辉

上面是2020年2月21日10:50前由张映辉老师完成的“磁滞回线”实验标准化工作草稿的链接。大家可以放心在下面修改,前面的版本不会丢失,是可以回看的。 — 白洪亮 2020/02/21 10:47

修改中的版本

1、科学素养

A.背景知识

  磁滞现象是强磁(铁磁和亚铁磁)物质的重要特征之一。1880年德国物理学家瓦尔堡(Warburg E.G.1846-1931)利用类似磁强计的方法研究铁丝受外加磁场作用时的磁性变化,最先发现了磁滞现象(当时称为“矫顽力作用”),发表在1881年的德国《Annalen der Physik und Chemie》。
  之后,英国物理学家、美国电机工程师等进一步研究了铁磁材料铁和钢的磁滞现象(发现最初几次回线不闭合)、铁在弱磁场(瑞利区)下的磁滞现象、磁滞损耗(斯泰因梅茨定律)。
  19世纪末,著名物理学家皮埃尔.居里(居里夫人的丈夫)在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性:当磁石加热到一定温度(后来,人们把这个温度叫“居里点”)时,原来的磁性消失。

B.课程思政

  1. 辩证唯物主义认为,事物发展变化有量变和质变两种基本状态。
  2. 量变,是指事物量的规定性的变化,即数量的增减或者场所的变更。质变,是指事物质的规定性的变化,即事物由一种质的状态转化为另一种质的状态的飞跃。
  3. 量变发展到一定程度,就会引起质变。由量变到质变,是事物内部矛盾(特性)所决定的。
  4. 量变和质变是辩证统一的。量变质变规律是辩证唯物主义三大基本规律之一,是辩证唯物主义世界观的重要基础。
  5. 铁磁材料磁性随温度变化情况,是一个较为完整的量变——质变(相变)过程,很好地阐释了量变质变规律。
  6. 在一定范围内(如常温),铁磁质的磁性会随温度产生一定的变化,但这种变化不明显,并且具有可恢复性。但是,当温度升高到某一范围时,磁性随温度急剧变化。当温度升高到某一特定值(居里点)时,磁性消失,实验标的物的磁性发生了质变,由铁磁质变成了顺磁质(相变)。
  7. 实验过程中,当温度在较低范围内变化时,温度的变化只能引起铁磁质磁能量的变化。温度继续升高到某一范围时,磁能随温度变化加快,甚至消失(在居里点)。这一过程,就是由量变到质变(相变)的过程。
  8. 在生产(生活、社会)实践中,有时需要质变(如制造一种新物质、新材料);有时则只需要量变,必须防止(控制、制止)质变。
  9. 量变质变规律揭示:根据需要控制量变或质变必须把握好度。所谓度,就是事物保持自己质的数量限度。要掌握具体事物的度,就必须找到事物由量变过渡到质变的关节点(如实验中的居里点)。

  ————(参考资料:倪志安.马克思主义哲学原理新探.北京:人民出版社,2010:223-225.)

C.与现代科学技术的结合

  1. 铁磁材料在工程技术和科学研究中应用十分广泛。熟悉铁磁材料的重要特性,掌握高的磁导率的磁化条件和低磁滞所对应的反复磁化频率范围,对磁性部件材料选择、设计电磁机构和仪表具有重要意义。
  2. 研究磁性材料的交流磁特性——动态磁滞回线,在工业中也有重要应用,因为交流电动机、变压器的铁芯都是在交流状态下使用的。
  3. 通过本实验,还可以深刻体会物理实验方法中的转换测量法——将磁学量(磁场强度、磁感应强度)转换为电学量(电压)进行测量,并利用示波器观察铁磁材料的磁滞回线。

2、分层次实验教学内容

a)基础内容

  1. 磁介质,磁感应强度,磁化强度,磁场强度;
  2. 真空磁导率,磁化率,相对磁导率,磁导率;
  3. 顺磁质、抗磁质、铁磁质的特点和用途;
  4. 安培环路定理,法拉第电磁感应定律;
  5. 各向同性的弱磁性介质磁化曲线;
  6. 铁磁质的起始磁化曲线、基本磁化曲线(又称正常磁化曲线)、理想磁化曲线(又称无磁滞磁化曲线);
  7. 磁滞回线。

b)提升内容

  1. 饱和磁感应强度,饱和磁场强度;
  2. 剩余磁感应强度(剩磁),矫顽磁场强度(矫顽力),磁滞,磁滞损耗;
  3. 软磁材料、硬磁材料、矩磁材料的特性及应用特点;
  4. 利用示波器观察磁滞回线;
  5. 测绘基本磁化曲线(Bm-Hm曲线);
  6. 测定剩磁和矫顽力;
  7. 测绘μ-Hm曲线;
  8. 实验误差分析。

c)进阶内容

  1. 如何将样品退磁;
  2. 如何将非电学量B转化为电学测量量Uc;
  3. 如何将非电学量H转化为电学测量量UR;
  4. 铁磁材料居里点的物理意义。

d)高阶内容

  1. 起始磁导率的测量;
  2. 最大磁导率的测量;
  3. 铁磁材料居里点的测量;
  4. 磁滞损耗的测量;
  5. 设计简单电路,实现利用示波器观察磁滞回线。
  6. 微分磁滞回线。
  7. 微分磁滞回线的线性函数。

3、能力培养

示波器的使用,磁滞回线装置使用,科学思维,实验设计。

4、知识点

磁介质,磁感应强度,磁场强度,磁导率,铁磁质,磁化曲线,磁滞回线,剩磁,矫顽力,磁滞损耗。

5、学科关联

磁学,材料科学,实验科学。

6、延伸实验

铁磁材料居里点的测定,材料掺杂,材料磁场热处理。

讨论区

请各位老师根据贵校的特色,提供类似的PPT,PPT发给:yhzhang@dlmu.edu.cn 张映辉老师 谢谢!
感谢张老师! — 乐永康 2020/01/30 16:44

有几个相关的问题想在这里探讨一下:1)这个实验涉及的知识点有很多,大多数对于学生而言是陌生的,所以,在有限的学时内,通过这个实验想让学生掌握的核心知识和技能是什么?2)国内高校普遍采用动态法测量磁滞回线,有何历史背景和考虑?3)静态法是否应该加进来? — 白洪亮 2020/02/18 16:56