近代物理实验报告.docx

2016/10/10 10:24:00
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：
实验目的:
.初步掌握用微波谐振腔方法观察铁磁共振现象。
.掌握铁磁共振的基本原理和实验方法。
.测量铁氧体材料的共振磁场Br,共振线宽B,旋磁比以及g因子和弛豫时间
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B0和微波磁场B1的作
用后，磁矩的进动情况将发生重要的变化。一方面，包磁场B0使铁磁场物质被磁化到
饱和状态，当磁矩M原来平衡方向与B0有夹角时，B0使磁矩绕它的方向作进动，频
率为hg1^；另一方面，微波磁场B1强迫进动的磁矩M随着B1的作用而改变进
h
动状态，M的进动频率再不是h了，而是以某一频率绕着恒磁场80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=H时,耦合到M的能量刚好与M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）所小。铁磁共振的原理图如图（8—3）所小。
在恒磁场B0（即H0）和微波磁场B1（即h）的作用下，其进动方程可写为：
dM _ —
dt
(M X H ) + T (8-1)
上式中 g—J为旋磁比，g为朗德因子,
2me
B （即H ）为恒磁场Bo （即H。）和微波
磁场B1（即h）合成的总磁场，T为阻尼力矩，此系统从微波磁场B1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减少的快慢，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问来表示，的定义是进动振幅减小到原来最大振幅的1e所需要的时间。
图（8—1）进动振幅逐渐衰减 趋于平衡
图（8—2）微波磁场作用抵消阻尼,
（直流磁场）
恒磁场
图（8—3）铁磁共振原理图
根据磁学理论可知，磁导率与磁化率之间有如下关系：
=1+4兀（8-2）
在交变磁场Bi作用下，铁磁物质内部结构对磁矩M的运动有阻尼作用，所以磁性材料中的磁场B（即H）的变化落后于交变磁场Bi的变化，要用复数表示：=+i
其中实部‘决定磁性材料磁能的贮存，虚部"反映交变磁能在磁性材料中的损耗。
当改变恒磁场B0（即H。）或微波频率时，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"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。
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：
hvgbB,（8-3）
鉴于铁磁性反映的是电子自旋磁矩的集体行为，g-2,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。
铁磁共振吸收谱线和线宽B
磁矩M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
用来说明，而用铁磁共振吸收线宽B来表小。固定微波频率不变，铁氧体在恒磁场
B0和微波磁场b的共同作用下，"随Bo的变化曲线称为铁磁共振吸收谱线，如图（8
—4）所小。在共振时有最大值m,令=m/2处的磁场分别为B1和B2,则B=B1-B2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
图（8—4） 铁磁共振吸收谱线和线宽 B
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—5）P—Bo曲线
在实验中往往不是直接测量"与Bo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Bo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，Pr是铁磁共振时输出功率，P...2是半功
、•»一…"一、一一、
率点（即相当于=m/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，:
P =2PPr
P12=P-^；
(8-4)
根据