近代物理实验报告材料—铁磁共振

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1、实用标准铁磁共振【摘要】本实验利用调速管产生微波，观察了谐振腔的谐振曲线，测得谐振腔的有效品质因数为1507，并进一步利用谐振腔研究了单晶和多晶样品的铁磁共振性质，得到了单晶样品和多晶样品的的共振线宽，旋磁比，朗德因子以及弛豫时间，并用逐点法测量了多晶样品的共振曲线。【关键词】微波、铁磁共振、品质因数一、引言早在1935年，著名苏联物理学家朗道就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。经过十几年，在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振吸收现象，后来波耳得（Polder）和侯根（Hogan）在深入研究铁磁体的共振吸收和旋磁性的基础上，发明了铁氧体

2、的微波线性器件，使得铁磁共振技术进入了一个新的阶段。自20世纪40年代发展起来后，铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振等一样，成为研究物质宏观性能和用以分析其微观结构的有效手段。铁磁共振是指铁磁体材料在受到相互垂直的稳恒磁场和交变磁场的共同作用时发生的共振现象。它可以用于测量体磁体材料的g因子、共振线宽、弛豫时间等性质。通过本实验熟悉微波传输中常用的元件及其作用，掌握传输式谐振腔的工作特性，了解谐振腔观察铁磁共振的基本原理和实验条件。二、实验原理1、铁磁共振原理当铁磁体材料同时受到两个相互垂直的磁场，即恒定磁场和微波交变磁场h，在的作用下，铁

3、磁体的磁化强度将围绕进动，进动频率为：（1）其中为铁磁体材料的旋磁比，即：（2）其中g为朗德因子，为真空磁导率，、分别电子电量和电子质量。文案大全实用标准由于阻尼作用，磁化强度将趋向于，但是如果当微波频率时，进动的磁矩从微波场中吸收的能量刚好抵消阻尼所损耗的能量，则进动会稳定地进行，发生共振吸收现象，即铁磁共振现象。此时，铁磁体的磁导张量可表示为（3）其中和都是复数。固定微波的频率，改变稳恒磁场，当发生共振时，磁导率张量对角元的虚部为最大值，所对应的磁场为共振磁场；所对应的磁场间隔称为铁磁共振线宽，标志着磁损耗的大小。铁磁共振曲线如图1所

4、示。共振线宽与弛豫时间之间存在关系：（4）图1铁磁共振曲线2、传输式谐振腔本次实验中使用的传输式谐振腔是一段矩形波金属波导管，并在两端加上带耦合孔的短路金属片。（1）谐振腔的谐振条件（5）其中是谐振腔的长度，λg是波导波长：文案大全实用标准（6）其中，λ、为谐振腔的谐振波长和谐振频率，a为谐振腔宽边长度。（2）品质因数谐振腔的固有品质因数定义为：。如果与外电路相耦合，称为有载品质因数，定义为：，为谐振腔的外观品质因数。（3）谐振曲线谐振腔的传输系数与频率的关系曲线称为谐振曲线，如图2所示。传输系数T（f）定义如下：。有载品质因数可表示为：

5、（7）其中为腔的谐振频率，和为半功率点所对应的频率。图2谐振腔谐振曲线3、用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽的原理（1）谐振腔的微扰公式文案大全实用标准当样品很小时，如果满足下面两个条件，则可以看成是微扰：1）放入样品后所引起的谐振频率相对变化很小；2）放入样品后只有样品所在的地方电磁场发生变化，其他地方变化忽略不计．此时，当样品处于腔内微波磁场最大，微波电场最小处时，微扰计算结果如下：（8）其中f0、f分别为无样品和有样品时腔的谐振频率，、为磁导率张量对角元的实部和虚部，A为与腔的振荡模式和体积及样品的体积有关的常数，为放进样品前后谐振腔的

6、有载品质因数倒数的变化。（2）用传输式谐振腔测量铁磁共振谐振腔放在均匀的外磁场中，外磁场与微波场垂直．样品体积很小，放在腔内磁场最大处，谐振腔始终保持谐振，微波输入功率保持恒定，经计算有：（9）如果我们测出的变化则可以知道的变化，由（8）则可以知道的变化，由图1就可以知道。通过测量谐振时输出功率P与恒定磁场H的关系曲线，如图3所示，如果、表示远离铁磁共振和共振时的输出功率，P1/2为半共振点的输出功率（相当于=/2点）,有：（10）文案大全实用标准图3输出功率P与磁场强度与H的关系曲线可以算出P1/2，在曲线上测量出，但用（10）时一定要

7、逐点注意调谐，即每加入一个共振磁场，都要稍微改变微波的频率使之调谐，测出的才正确．如果不逐点调谐，则需要对公式（10）进行修正，结果如下：（11）三、实验内容1、实验装置本次实验使用的仪器主要有微波实验中的各种仪器，另外还有共振仪，电磁铁，单晶和多晶样品，谐振腔（p=8）．其中电磁铁用来产生恒定磁场或产生扫场磁场，共振仪为电磁铁提供电流并为示波器提供输入信号．实验装置如4所示。文案大全实用标准图4实验装置图2、实验内容（1）观察谐振腔的谐振性质：由公式（5）、（6）估算谐振频率，用示波器观察速调管的振荡模式，频率处于谐振腔固有频率附近，与

8、微波实验中观察到的振荡模式进行比较；观察谐振腔的谐振曲线，测量有效品质因数。（2）观察铁磁共振：通过示波器采用扫场法观察单晶样品的共振曲线，测量；通过微安计采用逐点法测量多晶样品的共振曲线和，