實驗報告
第5組
磁滯曲線
B06502169 B08502090
組員：林永峻 黃唯哲
指導助教 陳韋辰 徐凱祥助教
實驗日期 2020.3.11
摘要
如果有一個螺線管通以電流，安培定律告訴我們螺線管內有磁場，我們可利用此電流
產生的這個磁場磁化鐵磁性物質（鐵、鈷、鎳）。由於鐵磁性物質的材料特性，原本未帶磁
性之物體，外加磁場後，會產生磁性，但去除外加磁場後，鐵磁性物質之磁化並未消除，仍
保有磁性，此為磁滯的現象。
本次實驗即要測定軟鐵及鋼鐵的磁滯現象，繪製成曲線。研究鐵磁性物質磁化過程的
材料特性。經過實驗發現，鋼鐵棒的磁滯現象比較明顯。同樣是把電流加到 3.2V，電流回
復到 0 時，鋼鐵棒相較軟鐵棒殘磁性較高。
一、實驗原理
不具有磁性的物質，磁域內的原子磁矩排列方向為隨機；相對的具有磁性的物質，磁域
內的原子磁矩的排列方向相同，產生磁場。除此之外，通電的線圈也可以產生磁場。通過對
不具磁性的物質施加磁場時，物質也會產生磁場。根據物質對外加磁場的反應可以分為 3 種，
鐵磁性(例如鐵、鈷、鎳) 、順磁性(例如錫、鋁)、逆磁性(例如銻、鉍)。
本次實驗用的是鐵磁性的軟鐵棒和鋼鐵棒，特性是在外加磁場去除時，鐵棒內依舊會
有磁場的殘留，永久磁鐵都具有鐵磁性物質在內。一般來說，外部的磁場愈大，在磁場移除
時，鐵棒殘留的磁場愈大。這次實驗利用指南針偏移的角度來當作磁場強度的指標。
有磁性的物質，也可以去磁。主要是利用在螺線圈內通交流電使得外部磁場方向不斷
的改變的性質。在鐵棒接近時，可以打亂鐵棒內相同方向的磁矩，使鐵棒內的磁矩變回隨機
的排列方式。
二、實驗儀器
鐵棒*2(軟鐵棒，鋼鐵棒)：
螺線管：
磁力針：
直流電源供應器：
電線：
木架(有刻度)：
消磁器：
三、實驗步驟
先將兩隻鐵棒使用消磁器消磁。
電源供應器打開，固定電壓，電流先調 0。
取兩螺線管距離指針距離 10 公分左右，調
整距離使的指南針角度指向 0。
將軟鐵棒放進螺線管內。
依照表格的電流大小調整供應器電流，由
0A 調到 3.2A，回到 0A，-3.2A，再到 0A
以及 3A
將螺線管內軟鐵棒換成鋼鐵棒，重複上個步
驟。
四、實驗結果
1.原始實驗數據：
線圈電流 I(A)
磁針角度 θ
(度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
線圈電流 I(A)
磁針角度 θ
(度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
0
0
0.2
22
0.4
44
0.6
58
0.8
66
1.0
71
1.2
74
1.4
76
1.6
78
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
80
80
81
82
82
83
83
83
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
83
82
81
80
80
79
77
77
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
72
69
62
55
35
10
-18
-40
-0.8
-1.0
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
-2.0
-2.2
-65
-70
-73
-75
-77
-79
-80
-81
-2.6
-2.8
-3.0
-3.2
-3.0
-2.8
-2.6
-2.4
-82
-83
-83
-84
-83
-82
-81
-81
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-79
-78
-77
-76
-74
-72
-70
-63
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
-38
-11
15
41
57
65
70
74
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
79
80
81
82
82
83
84
84
表一：軟鐵棒的磁滯曲線(螺線管與磁力計的距離=10.6cm)
3.0
83
1.2
75
-0.6
-56
-2.4
-82
-2.2
-80
-0.4
-53
1.4
77
0
2
0.2
18
0.4
37
0.6
51
0.8
60
1.0
68
1.2
71
1.4
74
1.6
76
1.8
79
2.8
83
1.0
74
-0.8
2.0
80
2.6
83
0.8
71
-1.0
2.2
81
2.4
82
0.6
67
-1.2
2.4
82
2.2
82
0.4
60
-1.4
2.6
82
2.0
81
0.2
50
-1.6
2.8
82
1.8
80
0
32
-1.8
3.0
83
1.6
79
-0.2
10
-2.0
3.2
84
1.4
78
-0.4
-16
-2.2
3.0
84
1.2
76
-0.6
-39
-2.4
-55
-64
-68
-72
-75
-78
-79
-2.6
-2.8
-3.0
-3.2
-3.0
-2.8
-2.6
-82
-83
-84
-84
-84
-83
-83
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-81
-80
-79
-78
-76
-74
-71
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-58
-31
-8
20
42
57
65
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
76
78
79
80
80
81
82
二：鋼鐵棒的磁滯曲線(螺線管與磁力計的距離=10.6cm)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
I(A)
θ (度)
-80
-2.4
-82
-0.6
-66
1.2
70
3.0
83
2. 數據分析：例如統計分析、迴歸分析等
磁滯曲線：
θ
100
80
60
40
20
-4
-3
-2
-1
0
-20
0
1
2
3
4
2
3
4
-40
-60
-80
-100
圖一：軟鐵棒 θ-I 圖
θ
100
80
60
40
20
-4
-3
-2
-1
0
-20
0
1
-40
-60
-80
-100
圖二：鋼鐵棒 θ-I 圖
-81
-2.2
-82
-0.4
-61
1.4
73
tanθ
15
10
5
-4
-3
-2
-1
0
0
1
2
3
4
2
3
4
-5
-10
-15
圖三：軟鐵棒 tanθ-I 圖
tanθ
15
10
5
-4
-3
-2
-1
0
0
1
-5
-10
-15
圖四：鋼鐵棒 tanθ-I 圖
3.分析結論：
在觀察硬鐵棒與軟鐵棒磁滯曲線圖，可發現硬鐵棒的曲線較大，軟鐵棒的曲線較細
窄。此即為硬鐵棒的磁滯現象較為明顯，代表此材料較適合作為揚聲器及動線圈表頭的永久
磁鐵部分。而軟鐵棒的磁滯現象較不明顯，曲線面積小表示耗能較少，而軟鐵在變壓器、電
磁鐵、磁帶及電腦磁片相當有用。
4.誤差討論：誤差來源、影響程度(定量表示)、改進建議
我們認為誤差的來源可以分為以下四項：
1. 電流旋鈕一次轉太快而不小心超過一些
2. 磁針粗細大於刻度，無法精準判讀
3. 隔壁桌的電磁鐵影響
4. 布尺刻度並不精確，導致左右兩螺線管距中心不等距
五、 問題討論
一、
試分析磁力計與線圈距離(太近、太遠)對於實驗結果的影響：
當待測物距離磁場較近，產生較大磁化，又因磁力計又靠的離兩線圈太近，會造成指
針偏轉量較大且當待測物逐漸接近磁化飽和時，因其與指南針距離太近，指針仍有轉動，因
此造成我們所觀察到的電流較大。
二、
若每次增加的電流過大，對於實驗的結果有甚麼影響?為什麼?
電流的大小控制了外加磁場的強弱，若電流一下子加的太大，則樣品被磁化的磁場增
大，此時若把電流再調回預定值，則所測出之磁場會略大於實際值，因為其感應磁場一但增
大後，並不會沿原磁化曲線回去，因而造成了實驗誤差。故實驗時應小心緩慢地增加電流。
三、
實驗中，若電流每增加 0.2A 之後，停留較久的時間，有什麼影響?
在鐵磁性物質中，每一個原子皆因一兩個電子的自而有磁矩；而這些磁在線尺寸 1mm
大小的磁域(magnetic domain)中完全平行。在外加一磁場時，平行於外場的磁域會增大，
而其他磁場會縮小；當每增大 0.2 安培所停留的時間相差增大時，可讓外加磁場與樣本磁域
產生較完全的熱平衡；使樣品的逆向磁域因時間較久更趨向與外場同向。造成感應的磁場較
大，磁滯曲線向外擴張，實驗較為準確。
四、
請從本實驗中的磁滯曲線量測結果，分析軟鐵棒與硬鐵棒的差異?
軟磁性物質是指鐵磁材料中，有外加磁場時磁化很強, 但磁場移去後不易有殘磁的物質，
所以容易調節磁化的大小，適合用來作電磁鐵的鐵心；許多軟磁性材料也比較軟(力學上)。
純鐵算是軟磁性材料中殘磁比較強的，但因為是純物質，有時會被拿來應用。發電機或變壓
器中的矽鋼板中加了 3.5%的矽。其它像鐵鎳合金，再加上一些 Mn、Cr、Cu、Mo 等。硬磁性
物質則相反，容易殘留磁性，常應用在馬達、磁碟機、光碟機、印表機、傳真機中。
參考資料
1. 國立台灣大學普通物理實驗, 國立台灣大學出版中心, 108 學年度
2. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A3%81%E6%BB%9E%E7%8E
%B0%E8%B1%A1
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%81%E7%A3%81%E6%80%A7
4. http://www.phys.nthu.edu.tw/exphy/Download/ex05.pdf
附、實驗心得
這次的實驗剛開始消磁的時候花費了不少時間，因為每次消磁玩都還是會有誤差產生，
最後還請助教來幫忙才成功消磁。剛開始進行實驗時還不太熟悉設備，電流有時候一不小心
就轉過頭，這也可能造成了最後的誤差來源。不過好在最後我們還是順利完成了實驗，並且
成功用電腦作出偏轉角度與電流間的關係。
至於在觀察指針偏移的角度，剛開始時不太熟悉，看的速度也很慢，不過後來有抓到
訣竅。抓到訣竅之後發現指針的刻度雖然最小只有到 2 度。但是因為指針的粗細跟刻度的粗
細差不多，因此在讀值的時候只要看到指針同時壓到 2 個刻度，角度就是奇數度；如果讀值
的時候只有壓到 1 個刻度，表示有現在指的是偶數度。實驗時，本來不知道 tan θ -I 的圖
應該長怎樣，後來問了助教後發現實驗的曲線相當令人滿意，覺得運氣真是不錯呢。