近代物理实验报告

近代物理实验报告

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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

和微波磁场1B 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

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0B 有夹角θ时，0B 使磁矩绕它的方向作进动，频率为h

B g B H

μν=;另一方面,微波磁场1B 强迫进动的磁矩M 随着1B 的作用而改变进动状

态，M

的进动频率再不是H ν了,而是以某一频率绕着恒磁场0B 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 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)所示。铁磁共振的原理图如图（８—３)所示。

在恒磁场0B （即0H

）和微波磁场1B (即h ）的作用下,其进动方程可写为：

dt

M

d

= -γ（M ×H )＋ T (8-１) 上式中e m e

g 2=γ为旋磁比，g 为朗德因子，B (即H )为恒磁场0B (即0H ）和微波磁场

1B (即h ）合成的总磁场，T

为阻尼力矩，此系统从微波磁场1B 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 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1B 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 (即0H

)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

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0

B 和微波磁场b

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

图（8—6）铁磁共振仪实验装置

注意事项:

数据处理处理及实验结果：单晶体共振图片:

多晶体共振图片:

实验数据处理: １.实验公式与结果

多晶体结果 ν=８.９44MH ｚ B r =３17.3mT;

由

h B g B H 0

μν=可得:g=２.０1； 旋磁比e

m e g

2=γ,γ

=1.77×1011C/Kg ； P ∞=80,P r =25,P 12

=2P ∞P r

P

∞+P r

=38.1;

?B =20.8mT ;

弛豫时间τ=2

g D B =5.4×10?10ｓ．

单晶体结果

ν=８.9４4MHz B ｒ=320．０mT;

由h B g B H 0

μν=可得:g=2.00;

旋磁比e

m e g

2=γ,γ

=1.76×1011C/Kg ； P ∞=87,P r =3,P 12

=2P ∞P r

P ∞+P r

=5.8;

?B =0.8mT ; 弛豫时间τ=

2

g D B

=1.42×10?8ｓ.

2.数据表格

数据表格见P ＤF 文件

误差分析：

1、频散效应未修正带来的影响;

2、测定微波频率时的误差;

3、检波电流表的读数误差；

4、高斯计测量磁场时引入的误差；

５、测定电流和磁场的数学关系时引入的误差；

思考题与解答:

1．评述铁磁共振与微波电子自旋共振、核磁共振之间有什么相同与不同之处?

?要保证哪些条件？它的物理意义是什么?

2．测量磁共振线宽B

3．本实验中传输式谐振腔n为什么取偶数?

4．样品磁导率的'μ和''μ分别反映什么?

5．样品磁导率的'μ会在实验中造成什么影响?

6．本实验是怎样测量磁损耗的?

7．如何精确消除频散效应?

8．实验中是如何处理频散效应的?

9．实验中磁损耗是通过什么来体现的？

答:

1、相同点:

都是由于原子的自旋磁矩与外磁场相互作用而产生的塞曼能

级分裂，当在与外磁场方向垂直的方向上再加上一个某一频率的

电磁波，当电磁波的能量与塞曼能级间距相匹配时,就会发生物

质从电磁波吸收能量的共振现象。反应的原理均为hv=gμB。

不同点：

与外磁场相互作用的原子的自旋磁矩的主要来源不同。

电子自旋共振中原子的自旋磁矩的主要来源是顺磁质中未成

对的电子自旋磁矩;

核磁共振中原子的自旋磁矩的主要来源是核自旋磁矩。;

铁磁共振中原子的自旋磁矩的主要来源是铁磁质中电子自旋

磁矩。

因此，其主要区别就在于其共振时的电磁波的频率范围以及灵

敏度不同。核磁矩比电子磁矩约小三个数量级,故核磁共振的频

率范围和灵敏度都比电子磁共振的低得多。

2、要保证P－B曲线在共振频率两边基本对称。

?值的大小反映了磁损耗的大小一般B?愈窄,磁损耗愈低。B

3、使得微波在谐振腔内发生谐振，从而在检波电流处得到最小的电

流。

4、样品磁导率的'μ和''μ分别反映在铁磁质中的磁场贮能以及损耗

能。

5、'μ会使谐振腔的谐振频率发生偏移,即频散效应。'μ的大小还决

定了磁场在铁磁质中贮能的大小,'μ越大，贮能越大，损耗能越小，P-B曲线的谷越窄。

?来表征磁损耗。

6、通过计算B

7、要得到准确的共振曲线和线宽，必须在计量时消除频散，使得装

有样品的谐振腔的频率与输出谐振腔的频率相同(调谐)。因此在逐点测绘铁磁共振曲线,相当于每一个外加的恒磁场都会稍微改变谐振腔的谐振频率，使它与谐振腔调谐。在实验中很难操作时，也可以根据修正公式从P-Ｂ曲线得出线宽。

8、在逐点测绘铁磁共振曲线时,每改变一个外加的恒磁场,都要调

节谐振腔使它与谐振腔调谐。

?来表征磁损耗''μ。

9、通过计算B