近代物理实验报告

近代物理实验报告

2019/8/9 18:29:00近代物理实验报告2

实验名称：铁磁共振

指导教师：鲍德松

专业：物理

班级：求是物理班1401

姓名：朱劲翔

学号：3140105747

实验日期：2016.10.19

实验目的：

1. 初步掌握用微波谐振腔方法观察铁磁共振现象。

2．掌握铁磁共振的基本原理和实验方法。

3．测量铁氧体材料的共振磁场r B ,共振线宽B ∆，旋磁比γ以及g 因子和弛豫时间

τ。

实验原理：

根据磁学理论可知，物质的铁磁性主要来源于原子或离子的未满壳层中存在的非成对

电子自旋磁矩。一块宏观的铁磁体包含有许多磁畴区域，在每一个区域中，自旋磁矩

在交换作用的耦合下彼此平行排列，产生自发磁化，但各个磁畴之间的取向并不完全

一致，只有在外磁场的作用下，铁磁体内部的所有自旋磁矩才保持同一方向，并围绕

着外磁场方向作进动。当铁磁物质同时受到两个相互垂直的磁场即恒磁场0B ρ和微波磁

场1B ρ的作用后，磁矩的进动情况将发生重要的变化。一方面，恒磁场0B ρ使铁磁场物质

被磁化到饱和状态，当磁矩M ρ原来平衡方向与0B ρ有夹角θ时，0B ρ使磁矩绕它的方向作进动，频率为h

B g B H 0μν=；另一方面，微波磁场1B ρ强迫进动的磁矩M ρ随着1B ρ的作用

而改变进动状态，M ρ的进动频率再不是H ν了，而是以某一频率绕着恒磁场0B ρ作进动，

同时由于进动过程中，磁矩受到阻尼作用，进动振幅逐渐衰减，如图（8—1）所示，

微波磁场对进动的磁矩起到不断的补充能量的作用。当维持微波磁场作用时，且微波

频率ν=H ν时，耦合到M ρ的能量刚好与M ρ进动时受到阻尼消耗的能量平衡时，磁矩就

维持稳定的进动，如图（8—2）所示。铁磁共振的原理图如图（8—3）所示。

在恒磁场0B ρ（即0H ρ）和微波磁场1B ρ（即h ρ）的作用下，其进动方程可写为：

dt

M d ρ= -γ（M ρ×H ρ）+ T ρ (8-1) 上式中e

m e g 2=γ为旋磁比，g 为朗德因子，B ρ（即H ρ）为恒磁场0B ρ（即0H ρ）和微波磁场1B ρ（即h ρ）合成的总磁场，T ρ为阻尼力矩，此系统从微波磁场1B ρ中所吸收的全部

能量，恰好补充铁磁样品通过某机制所损耗的能量。阻尼的大小还意味着进动角度θ减

少的快慢，θ减少得快，趋于平衡态的时间就短，反之亦然。因此这种阻尼可用弛豫时

间τ来表示，τ的定义是进动振幅减小到原来最大振幅的e 1所需要的时间。

图（8—1）进动振幅逐渐衰减 图（8—2）微波磁场作用抵消阻尼，

趋于平衡

图（8—3） 铁磁共振原理图

根据磁学理论可知，磁导率μ与磁化率χ之间有如下关系：

μ = 1 + 4πχ (8-2)

在交变磁场1B ρ作用下，铁磁物质内部结构对磁矩M ρ的运动有阻尼作用，所以磁性材料

中的磁场B ρ（即H ρ）的变化落后于交变磁场1B ρ的变化，μ要用复数表示：μ='μ+i ''μ，

其中实部'μ决定磁性材料磁能的贮存，虚部''μ反映交变磁能在磁性材料中的损耗。

当改变恒磁场0B ρ（即0H ρ）或微波频率ν时，我们总能发现在某一条件下，铁磁体会出

现一个最大的磁损耗，即''μ出现最大值，也就是进动的磁矩会对微波能量产生一个强

烈的吸收，以补充由此引起的能量损耗，这就是铁磁共振现象。

2.1 铁磁共振条件

由于铁磁物质的磁化理论很复杂，因此，我们实验中采用铁氧体小球样品作实验。其

退磁因子各向同性，退磁场作抵消，对进动不产生影响。最简单的情况，小球形样品

满足磁共振的基本原理公式：

r B B g hv μ= (8-3)

鉴于铁磁性反映的是电子自旋磁矩的集体行为，g ≈2，ν为进动频率，其频段估算在

微波范围内，因此选择在此频段进行实验。

2.2 铁磁共振吸收谱线和线宽B ∆ 磁矩M ρ在进动时总要受到由磁损耗所表现出来的阻尼作用。实用上铁磁谐振损耗并不

用''μ来说明，而用铁磁共振吸收线宽B ∆来表示。固定微波频率不变，铁氧体在恒磁场

0B ρ和微波磁场b ρ的共同作用下，''μ随0B 的变化曲线称为铁磁共振吸收谱线，如图（8

—4）所示。在共振时''μ有最大值m ''μ，令''μ=m ''μ/2处的磁场分别为1B 和2B ，则

B ∆=1B -2B 就是铁磁共振线宽。一般B ∆愈窄，磁损耗愈低。B ∆值的大小反映了磁损

耗的大小，测量B ∆对于研究铁磁质的机理和提高微波铁氧体器件十分重要。

图（8—4） 铁磁共振吸收谱线和线宽B ∆ 图（8—5） P ─0B 曲线 在实验中往往不是直接测量''μ与0B 的关系来确定B ∆值，而是测量微波功率通过谐振腔后的功率变化来确定B ∆值的，通过谐振腔后的功率P 随0B 的变化见图（8—5）所示。图中∞P 是远离铁磁共振区时谐振腔的输出功率，r P 是铁磁共振时输出功率，21P 是半功率点（即相当于''μ=m ''μ/2处的输出功率）。一般情况下，正确的考虑了频散效应的影响，21P 点由下式确定：

21P =r

r P P P P +∞∞2 (8-4) 根据（8—4）式得21P ，可由P ─0B 曲线求出B ∆值。

3．弛豫时间τ

根据磁学理论可知，B ∆与τ之间有如下关系：

τ=B

∆γ2 (8-5)

实验内容与步骤：

首先用特斯拉计测出样品所在的磁铁中心磁场B和电磁铁激励电流I的关系。(可不做) 实验装置如图（8—6）所示，是一种较简便，应用较广的铁磁共振实验装置。由速调管产生微波信号，经隔离器和波长表后到达通过式谐振腔。待测样品放在腔中微波磁场强度最大（为什么？）处，电磁铁产生的恒磁场与微波磁场垂直。通过谐振腔输出的微波信号经晶体检波器和检流计进行测量。只要微波二极管遵循平方律检波关系，则其检波电流与微波功率成正比，因此检流计检到的电流（即检流计偏转的刻度格数）就是通过谐振腔后的相对微波功率P。

1．实验前必须熟悉各微波元件的性能及使用方法。注意：传输式谐振腔两端都必须加上带耦合孔的铜片，接入隔离器时要注意其方向。

2．在插入待测铁磁体小球到谐振腔之后，调节微波信号频率，使通过谐振腔后的功率输出最大，即通过式谐振腔处于谐振状态，且在这过程中观察输出功率变化。

3．调节单螺调配器，使检流计G中观察到输出最大，然后适当选定衰减器位置作为

P的参考点。

∞

4．开启磁场电源，调节磁场电流，进行逐点测量P和I关系，根据B─I关系，画出P─B关系曲线求出共振线宽B

B，旋磁比γ以及g因子和弛豫时间

∆，共振磁场

r

τ。

实验器材及注意事项

实验器材：

铁磁共振仪、速调管、示波器、检流计、高斯计等