铁磁共振
磁性材料的铁磁共振与磁滞回线
磁性材料的铁磁共振与磁滞回线磁性材料在物理学和工程领域中有着广泛的应用。
其中，铁磁共振和磁滞回线是研究和描述磁性材料特性的两个重要方面。
本文将介绍铁磁共振和磁滞回线的定义、原理和应用，并探讨它们在材料科学和磁性器件设计中的重要性。
一、铁磁共振铁磁共振是指在磁场作用下，磁性材料中自旋磁矩与外磁场的相互作用达到共振的状态。
具体来说，当外磁场的频率与材料内部的自旋共振频率一致时，磁性材料会发生共振现象。
铁磁共振常用的观测方法有核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)。
铁磁共振的频率可以通过饱和磁化值(Ms)和磁性材料的磁容率(χ)来计算得到。
其公式如下：f = γB其中，f是共振频率，γ是磁化的回磁率，B是外磁场的强度。
铁磁共振的观测结果可以提供关于材料中自旋共振行为和磁矩相互作用的重要信息。
铁磁共振在材料科学和磁性器件设计中具有重要的应用价值。
例如，在医学领域，通过铁磁共振成像(MRI)可以观测和诊断人体内部的疾病。
在材料研究中，铁磁共振可以用来表征磁性材料的晶格结构和磁矩排列方式。
此外，铁磁共振还可用于制备和调控磁性纳米粒子以及磁性存储器件的设计与性能优化。
二、磁滞回线磁滞回线是研究磁性材料磁化行为的重要工具。
当外磁场作用于磁性材料时，磁化强度(M)和外磁场强度(H)之间的关系会呈现出非线性的特性，即磁滞现象。
通过绘制磁滞回线图可以清晰地描述和分析材料在不同磁场强度下的磁化行为。
磁滞回线图通常以M-H坐标系进行绘制，横轴表示外磁场强度H，纵轴表示磁化强度M。
根据磁滞回线的形状和特征，可以判断材料的磁性特性和磁化机制。
一般来说，当磁滞回线的面积较大时，材料的饱和磁化强度较高；当磁滞回线呈现出对称性时，材料具有良好的磁化稳定性。
磁滞回线对于材料选型和磁性器件设计非常重要。
例如，对于磁存储器件而言，磁滞回线的形状和特征直接影响设备的读取和写入性能。
因此，通过调控磁性材料的组成和结构，可以优化磁滞回线的特性，以达到更高的存储密度和稳定性。
铁磁共振
（1）
其中： 为旋磁比， 为约化普朗可常数，为稳恒 γ ℏ B 外磁场。
经典力学解释
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场， 该电磁场的能量为 hυ （2） υ 其中： 为交变电磁场的频率。 当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即： （3） hυ = γℏB （4） 2πυ = γB 低能级上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即 所谓的磁共振。
检
六、实验数据表格
1.测微波频率 测微波频率
测量次数 刻度值（mm） 1 2 3 4
刻度平均值： 刻度平均值：______mm 对应频率： 对应频率：ν = ____MHz
I(A) I(μA) B(mT)
I(A) I(μA) B(mT)
I(A)
I(μA) B(mT)
2求共振线宽和 因子 求共振线宽和g因子 求共振线宽和
五、实验步骤
1. 测微波频率： 测微波频率：
调节固体微波信号源的频率，使其与谐振腔共振。 调节固体微波信号源的频率，使其与谐振腔共振。 调节衰减器，使微安表有50µA的指示。旋转波长表的螺 的指示。 调节衰减器，使微安表有 的指示 旋测微器，微安表电流指示逐渐减小， 旋测微器，微安表电流指示逐渐减小，当电流达最小值 读取螺旋测微器刻度值， 时，读取螺旋测微器刻度值，对照刻度值与频率的关系 对照表，得微波频率值。旋转波长表的螺旋测微器， 对照表，得微波频率值。旋转波长表的螺旋测微器，使 微安表回到约50µA的指示。 的指示。 微安表回到约 的指示
二、实验目的
了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象； 测量微波铁氧体的铁磁共振线宽； 测量微波铁氧体的g因数。
三、实验原理
一）. 基本概念
铁磁共振频率
铁磁共振频率铁磁共振频率是指磁场作用下，具有磁性质的物质中磁矩在外磁场作用下进行共振，从而产生信号的频率。
在医学领域中，铁磁共振频率常常用于MRI磁共振成像，可以用来检测疾病，如肿瘤、脑部病变等。
下面将从铁磁共振原理、应用和发展前景等方面进行探讨。
铁磁共振原理铁磁共振是指在磁场作用下，物质内部的电子自旋与磁场相互作用，从而产生共振现象的过程。
具体来说，当物质处于外磁场中，其内部磁矩会受到磁场的力作用，随着外磁场的大小和方向不断变化，磁矩会出现共振现象，产生射频信号。
应用铁磁共振技术在医学领域中有着广泛的应用。
目前，MRI已经成为常用的影像学诊断手段之一。
通过铁磁共振技术，医生可以清晰地观察人体内部的各种组织，获得有关部位的详细信息。
例如，MRI可用于检测肿瘤、脑部疾病、骨折等病症。
这种技术与传统的X光成像相比，不但可以提供更加准确、详细的图像，而且不会对人体造成辐射危害。
同时，铁磁共振技术在材料科学、化学、生命科学等领域也有着重要的应用。
例如，通过NMR技术可以对分子结构和化学成分进行分析，对药物研发、材料研究等方面有着重要的作用。
未来发展随着科学技术的不断进步，铁磁共振技术也在不断发展。
目前，研究人员正致力于提高磁共振成像的空间分辨率和时间分辨率，以及探索更多的应用领域。
此外，人们也在开发新的磁共振成像技术，如功能性磁共振成像(fMRI)，可用于研究人类大脑的神经学和认知功能。
总之，铁磁共振技术在现代医学和科学研究中扮演着重要的角色，其应用领域不断扩展，发展前景十分广阔。
我们相信，在未来的发展中，铁磁共振技术将会为人类健康和科学研究做出更加重要的贡献。
磁学中的铁磁共振现象与应用
磁学中的铁磁共振现象与应用磁学是物理学中的一个分支，研究磁场的产生、性质和应用。
在磁学中，铁磁共振是一个重要的现象，它在磁学研究和应用中具有广泛的意义。
铁磁共振是指当一个铁磁体受到外加磁场的作用时，它的磁化强度会发生共振的现象。
这是由于铁磁体中的磁矩在外加磁场的作用下发生预cession运动，类似于陀螺的旋转。
当外加磁场的频率等于铁磁体的共振频率时，磁矩的共振效应达到最大值。
铁磁共振现象的发现和研究对于深入理解磁性物质的性质和磁场的作用机制具有重要意义。
通过研究铁磁共振现象，科学家们可以了解铁磁体的磁化过程和磁矩的行为规律，进一步揭示了磁性物质的微观结构和磁性行为。
除了在磁学研究中的应用，铁磁共振还有许多实际应用。
其中一个重要的应用是核磁共振成像（MRI）。
MRI是一种非侵入性的医学影像技术，可以用来观察人体内部的结构和功能。
它利用铁磁共振现象来探测人体组织中的核磁共振信号，通过对这些信号的处理和分析，可以生成详细的图像。
MRI技术在医学诊断中起到了重要的作用。
它可以用来检测和诊断各种疾病，如肿瘤、心脏病、脑部疾病等。
与传统的X射线和CT扫描相比，MRI具有更高的分辨率和更好的对比度，可以提供更准确的诊断结果。
此外，MRI还可以用来观察人体内部器官和组织的功能活动，如心脏的收缩和舒张、脑部的血流等，对疾病的治疗和康复也有重要的指导意义。
除了医学应用，铁磁共振还在其他领域得到了广泛的应用。
例如，在材料科学中，铁磁共振可以用来研究材料的磁性和电子结构，对于开发新型材料和改进材料性能具有重要意义。
在电子技术中，铁磁共振可以用来制造磁存储器件，如硬盘驱动器和磁带。
此外，铁磁共振还可以用来研究自旋电子学和量子信息等前沿领域的问题。
总之，铁磁共振是磁学中一个重要的现象，它在磁学研究和应用中具有广泛的意义。
通过研究铁磁共振现象，科学家们可以深入理解磁性物质的性质和磁场的作用机制。
同时，铁磁共振还有许多实际应用，如核磁共振成像在医学诊断中的应用。
铁磁共振
铁磁共振摘要观察铁磁材料的共振现象；测量微波铁氧体的铁磁共振线宽ΔH；测量微波铁氧体的朗德因子g值。
关键词铁磁共振g因子引言铁磁共振是指铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频率的微波磁场中当满足共振条件时产生强烈吸收共振的现象。
铁磁共振（FMR）在磁学及固体物理学研究中占有重要地位。
它能测量微波铁氧体的许多重要参数，如共振线宽、张量磁化率、有效线宽、饱和磁化强度、居里点、亚铁磁体的抵消点等。
它和顺磁共振、核磁共振一样，是研究物质结构的重要实验手段。
一、工作原理本实验系统采用扫场法进行微波铁磁材料的共振实验。
即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定关系时，可发生射频磁场的能量被吸收的铁磁共振现象。
该实验系统是在三厘米微波频段做铁磁共振实验。
信号源输出的微波信号经隔离器﹑衰减器﹑波长表等元件进入谐振腔。
谐振腔由两端带耦合片的一段矩形直波导构成。
当被测铁氧体样品放入谐振腔内微波磁场最大处时，将会引起谐振腔的谐振频率和品质因数变化。
当改变外磁场进入铁磁共振区域时，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低，从而可测出谐振腔输出功率P与外加恒磁场H的关系曲线。
图中，P0为远离铁磁共振区时谐振腔的输出功率。
Pr为出现铁磁共振时谐振腔的输出功率，此时对应的外磁场为Hr,称为共振磁场。
而相应的张量导磁率‖μ‖对角元虚部μ''达最大值为rμ''，根据铁氧体理论，半共振点是指张量导磁率对角元虚部的2/rμμ''=''，其此处的谐振腔输出功率P1/2与P0，Pr 有如下关系： 与P1/2对应的外加磁场之差（H2-H1）即为铁磁共振线宽ΔH 。
因此可以根据实验作出的图二曲线和上述P1/2的公式求出共振线宽ΔH 。
另外，由铁磁共振条件ωr=γHr 和γ=ge/2mc ，根据外加磁场Hr 和微波频率，可求得g 因子。
应该注意的是，在进行铁磁共振线宽测量时，必须注意样品的μ'会使谐振腔的谐振频率发生偏移（频散效应）。
铁磁共振 (13)
铁磁共振系别:6系姓名: 陈正学号: PB05210465 实验目的：本实验的目的在于学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象，测量YIG小球（多晶）的共振线宽和g因子。
实验原理：铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。
自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。
如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为（1）ΔE = γhB为稳恒外磁场。
其中：γ为旋磁比，h为约化普朗可常数，B如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为hν（2）其中：ν为交变电磁场的频率。
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：hν = γh B（3）（4）2πν = γ B低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。
铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振，电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍。
所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量大的多，因此我们用微波（约9GHZ）来提供电子跃迁所需的能量。
在实验中微波的频率ν是固定的，其提供的能量hν也是固定的。
为使铁原子中电子能级间的能量差能等于该值，我们改变直流磁场的电压值，使外磁场磁感应强度B变化，因而使电子能级间的能量差γhB随之改变，使其扫过微波能量值hν，使等式hν = γhBr成立，产生铁磁共振。
Br为谐振点处的磁感应强度值。
实验内容:1．熟悉各微波元件，并按照书上图把各元件安装成一完整的实验系统。
2．调节微波发生器，使谐振腔与发生器输出微波信号调谐，利用仪器的波长表测出谐振频率f。
3．用非逐点调谐测出检波电流I随d的变化曲线，然后根据B-d曲线作I-B 曲线，计算g因子。
实验注意事项：实验时应注意：1，保持谐振腔的输入微波功率和发生器输出信号频率不变；2，在记录示波器上的数据点时应该快速；3，实验时应保证样品在谐振腔微波磁场的最大处。
铁磁共振 PPT课件
B 312 278 34 mT
I(A) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90
I(μ A) 53.5 53.2 53.4 53.9 54.0 54.1 54.1 54.2 54.3 54.5 54.6 54.7 54.7 54.7 54.4 54.5 54.2 54.1 54.0 54.0 53.8 53.5 53.2 52.8 52.3 52.0 51.4 50.8 50.4 50.1
为旋磁比，为约化普朗可常数， B 为 其中：
稳恒外磁场。
——经典解释续
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交 变电磁场，该电磁场的能量为 h (2) 其中： 为交变电磁场的频率。 当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时， 即： （3） h B (4) 2 B 低能级上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁， 即所谓的磁共振。
它能测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、
饱和磁化强度、居里点等重要参数。 该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方 面有着重要的应用价值。
二、实验目的
了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振
现象；
测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；
测量微波铁氧体的g因数
注:铁磁共振研究铁原子中电子的磁共振现象
三、实验原理——概念介绍
，同时读微 I励 ( A )
I励
，根据转换表将励磁电流值 I 检 (A ) 曲线。据曲线求 I 检 -B (对应 Br
最 I检 ( A)
2 B
铁磁共振
用传输式谐振腔观测铁磁共振铁磁共振在磁学和固体物理学中都占有重要地位。
它是微波铁氧体物理学的基础，而微波铁氧体在现代雷达和微波通信方面都有重要应用。
铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振一样，成为研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。
早在1935年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 1908—1968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。
经过若干年在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振现象。
多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于1948年。
以后的工作则多采用单晶样品。
实验目的1．了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术。
2．通过观测铁磁共振，进一步认识磁共振的一般特性和实验方法。
实验原理1．微波谐振腔在微波技术中谐振腔是一个非常重要的部分。
所谓微波谐振腔就是一个封闭的金属导体空腔，一般为矩形或圆柱形。
腔壁反射电磁波辐射，使电磁波局限在空腔内部。
谐振腔的入射端开一小孔，使电磁波进入谐振腔。
电磁波在腔内连续反射。
若波形和频率与谐振腔匹配，可形成驻波，也即发生谐振现象。
如谐振腔无损耗，则腔内振荡便可持续下去。
（1）矩形波导管矩形截面的空心导体管构成矩形波导，它是传播微波最常用的传输线。
矩形谐振腔实际上是一段封闭的矩形波导，即在波导入射端和出射端加装了反射电磁波的金属片。
理论分析表明：在波导管中不存在电场纵向分量和磁场纵向分量同时为零的电磁波。
在波导管中传播的电磁波可以分为两大类：（1）横电波又称为磁波。
简写为TE波或H波；磁场可以有纵向和横向分量，但电场只有横向分量。
矩形波导管传播的基本波形是TE10波。
（2）横磁波又称为电波，简写为TM波或E波；电场可以有纵向和横向分量，但磁场只有横向分量。
至于电场和磁场的纵向分量都不为零的电磁波，则可以看成横电波和横磁波迭加而成。
在实际应用中，总是把波导管设计成只能传播单一波形。
我们使用的矩形波导管只能传播TE10波。
（2）TE 10波在波导管截面为a ×b (a>b)的矩形波导管的一端输入角频率为ω的电磁波，使它沿着z 轴传播。
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242.5
I(A)
I(μA) B(mT)
1.42
49.9
243.9
1.45
49.4
251.0
1.48
49.2
257.0
1.50
49.0
261.0
1.53
48.1
269.4
1.55
47.2
275.0
1.57
46.6
277.4
1.58
45.8
278.6
1.59
45.2
279.8
1.60
44.8
281.0
53.2
0.10
53.4
0.15
53.9
0.20
54.0
B(mT) 3.1 11.8 20.2 29.0 37.5
0.25
54.1
46.0
0.30
54.1
55.5
0.35
54.2
64.0
0.40
54.3
72.8
通过右图的表格作图可
0.45
54.5
81.9
0.50
54.6
90.9
0.55
54.7
98.8
曲线分别求B及g因子。最后求出B及g因子平均值。
磁场。
——经典解释续
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变 电磁场，该电磁场的能量为
h 其中： 为交变电磁场的频率。
（2）
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：
h B
（3） （4）
低能级上的粒子就2要吸收B 交变电磁场的能量产生跃
迁，即所谓的磁共振。
——各物理量关系
旋磁比、玻尔磁子、光谱分裂因子之间有如下的关系：
微安表回到约50μA的指示。
——2
2. 测I—B曲线： 旋开谐振腔上的样品盒旋钮，小心放入样品。将
波导有样品的部分放入永磁铁的中心部分。逐渐加大 励磁电流，记取励磁电流值 I励(A) ，同时读微安表的读 数 I检(A) ，根据转换表将励磁电流值 I励 转换为磁感应 强度值B，作 I检 - B 曲线。据曲线求半高宽 B ，谐振
2. 铁磁共振：铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频 率的微波磁场中当满足共振条件时产生强烈吸收共振 的现象。
3. 铁氧体：铁、其他金属物质等元素与氧的化合物
——原理概述
铁磁物质总磁矩 M 在稳恒磁场 B 作用下,绕 M 作进动,角频率为 B ,由于内部存在阻尼作用, M 进动角逐渐减小,当进动角频率等于外加微波磁场角
点磁感应强度 Br (对应 I检(A) 最小值)，并计算 g 因子。
六、实验数据表格
1.测微波频率
测量次数 刻度值（mm）
1 2.962
2 2.963
刻度平均值：2.962mm 对应频率：ν = 9006MHz
3 2.961
4 2.962
——2求共振线宽 和g因子
I(A)
I(μA)
0
53.5
0.05
440.0
2.60
62.3
449.0
2.65
62.2
458.0
2.70
62.2
460.0
2.75
62.1
468.0
用非逐点调谐法测出I---B曲线：（用
多晶样品）
1. 将谐振腔有样品的部分放入磁场中心位置。 2. 将线圈的“磁场”接线端接入磁共振实验仪的“磁场”
端。
3. 调节磁共振实验仪“磁场”旋钮改变励磁电流的大小
2.00
64.8
351.0
2.05
64.1
360.0
2.10
63.9
370.0
2.15
63.5
379.0
2.20
63.2
381.0
2.25
63.0
391.0
2.30
62.8
400.0
2.35
62.7
409.0
2.40
62.7
419.0
2.45
62.8
421.0
2.50
62.6
431.0
2.55
62.5
1.00
53.8
175.2
g
Br B
0.3 9.274 1024
2.15 1.05
53.5
184.0
1.10
53.2
194.0
1.15
52.8
201.0
1.20
52.3
210.0
1.25
52.0
217.5
1.30
51.4
226.0
1.35
50.8
235.0
1.38
50.4
239.5
1.40
50.1
而玻尔磁子为
B g
B
e 2m
（5） （6）
铁磁共振实际上是铁原子中电子的自旋顺磁共振，因此
需用微波（约9GHZ）来提供电子跃迁所需要的能量。
（本实验中我们固定微波频率，通过改变外加恒定磁场的磁感应强度来 改变电子能级间距，观察示波器信号变化来判断共振点处的磁感应强度）
——共振线宽概念
磁性物体的磁化率定义为磁化强度矢量于其内部
60.2
327.2
1.84
61.0
329.6
1.85
62.0
332.0
1.86
62.8
335.4
1.87
63.0
334.8
1.88
63.8
336.2
1.89
64.0
337.6
1.90
64.2
339.0
1.91
64.9
339.4
1.92
65.0
339.8
1.95
65.0
341.0
1.97
64.9
345.0
X"
X
" m
1 2
X
" m
B
O
B1/ 2 Br B1/ 2
B
Fig.1 共振线宽用B 表示
——共振线宽测量
利用传输式谐振腔
输出功率随恒定磁场的 P 变化关系来确定。如采
用非逐点协调，利用右
图并根据
P1/ 2
P1/ 2
2 P0 Pr P0 Pr
Pr
而检波电流 I检与 P出 成 正比关系，所以用 I检代 替 P出即可。
304.0
1.73
41.0
306.0
1.74
42.2
308.0
1.75
44.1
310.0
1.76
45.9
312.0
1.77
49.2
314.0
1.78
51.5
316.0
1.79
53.0
318.0
1.80
55.0
320.0
I(A)
I(μA)
B(mT)
1.81
57.2
322.4
1.82
59.0
324.8
1.83
1.61
44.0
283.0
1.62
43.2
285.0
1.63
42.8
287.0
1.64
42.0
289.0
1.65
41.2
291.0
1.66
40.5
292.8
1.67
40.0
294.6
1.68
39.5
296.4
1.69
39.4
298.2
1.70
39.3
300.0
1.71
39.5
302.0
1.72
40.0
频率 0时, M 吸收其能量用以维持进动,此时即发生
铁磁共振。
——量子解释
自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁 矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子 的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂 （塞曼分裂），分裂后两能级间的能量差为
E B
（1）
其中： 为旋磁比， 为约化普朗可常数，B为稳恒外
一、背景知识
铁磁共振是于20世纪40年代发展起来的一种研究物 质宏观性能和微观结构的重要实验手段。它利用磁性物 质从微波磁场中强烈吸收能量的现象，与核磁共振、顺 磁共振一样在磁学和固体物理学研究中占有重要地位。
它能测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、饱 和磁化强度、居里点等重要参数。
该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面有 着重要的应用价值。
以得出共振线宽，g因子：
0.60
54.7
0.65
54.7
106.0 115.0
0.70
54.4
125.0
B 312 278 34mT
0.75
54.5
0.80
54.2
135.0 145.0
Br 300 mT
0.85
54.1
0.90
54.0
150.0 159.0
0.95
54.0
175.0
h 6.6261034 9006106
二、实验目的
了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振 现象；
测量微波铁氧体的铁磁共振线宽； 测量微波铁氧体的g因数
注:铁磁共振研究铁原子中电子的磁共振现象
三、实验原理——概念介绍
1. 磁共振：具有磁矩的物质，在恒定磁场作用下对电磁 辐射能的共振吸收现象。磁共振吸收谱在射频和微波 波段范围内，是物质的整个电磁波谱中的长波区域。
B
B1/ 2 Br B1/ 2
B
Fig.2 B与P的关系曲线
四、实验装置