铁磁共振试验报告

1、一、实验背景早在1935年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 19081968） 等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（Hogarj）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.微波铁磁共振现象是指铁磁介质处在频率为 ？0的微波电磁场中，当改变外加 包定磁场H的大小时，发生的

2、共振吸收现象.通过铁磁共振实验，我们可以测量 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1. 了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术.2. 掌握铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象.3. 测量微波铁氧体的共振磁场 B,计算g因子.三、实验原理1. 磁共振自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩.如果我们把这样的粒子放 入稳包的外磁场中，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：E = B02 兀（1）（其中，'为旋磁比，h为普朗克常数，B

3、。为稳包外磁场）.乂有丫 =g，故AE = 9广乂*8。= 9尾8。.（其中，g即为要求的朗德g241因子，其值约为2.如=为玻尔磁子，其值为9.274 1。J T ）4me 二若此时再在稳包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(2)其中，u为交变电磁场的频率.当该能量E外等丁粒子分裂后两能级间的能量差 AE时，即:hv=gPBB。（3）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.2. 铁磁共振铁磁共振实际上就是铁氧体原子的电子自旋顺磁共振，在相同的外磁场中电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍.所以能级问跃迁所需的能量要比核磁 共振需要的能量大的多，因此

4、我们可以用微波（约u=9G0来提供电子跃迁所需 的能量.在实验中微波的频率是固定的，其在谐振腔中样品处的能量hu也是固定的.要产生磁共振电子能级间的能量差 E=y B。必须等丁该值.我们改变励2 二磁电流值，使外磁场磁感应强度Bo变化，因而使电子能级间的能量差 E=YB。随之改变，当其接近丁微波能量值 hv时，电子就要吸收微波磁场2 二的能量，产生铁磁共振，表现为检波器的输出电流减小， 电流最小值对应的外磁 场B为谐振时的磁感应强度值BY,此时等式 沁=g%B成立，B由特斯拉计测 出，u由波长表可读出，h、届为常数，则hg = ybB3. 输出电流最小值对应的磁场强度为磁共振时的磁场强度值的原

5、理由图一a功率恒定的微波-i -检波二极管输出的电流正比与其输入微波功率，改变外磁场B实际上改变粒子两能级间的能量差gMB0，当它不等丁粒子处微波能量 hu时，粒子不吸收微 波能量，微波可完全越过粒子到达二极管， 使其输出一个较大的电流.继续调节 B,当粒子两能级间的能量差gB0等丁粒子处微波能量h。时，粒子吸收微波能 量使输出电流减小，其最小值对应的外磁场 By即为磁共振时的磁场强度值.四、实验步骤1. 开启速调管，将电源工作方式选择在等幅状态下，预热十分钟.2 .把谐振腔移出电磁铁，并把微安表接在晶体检波器的输出端.3.通过调节速调管电源上的电压及频率调节钮使得微安表读数最大，使得 通过谐

6、振腔后的功率输出最大，即通过式谐振腔处丁谐振状态.并调整可变衰减 器使得微安表的指针位丁刻度表的 2/3量程处左右.4调节波长表使得微安表读数达到最小值，读取波长表的刻度值，得微波 频率u .5. 把装置推入电磁铁，保持样品处丁磁场中央，调节电磁铁电流，使得微安表读数最小，这时处丁共振状态，记录下此时的磁场强度B .6. 记录数据，计算g因子的值.五、实验仪器及注意事项1. 实验仪器I4if -.sireLSI* 咨j成庸a. 样品为铁氧体，提供实验用的铁原子.b. 电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂.c. 微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级.d. 波导，单方向传导微波，使其通过样品.

7、e. 波长表，测量微波的波长.f. 谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品放在 波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直.g. 固体微波信号源，产生9GH左右的微波信号.h. 隔离器，使微波只能单方向传播.i. 衰减器，控制微波能量的大小.j. 输出端，含有微波检波二极管，其输出电流与输入的微波功率成正比.k. 直流磁场电压源，给电磁铁提供励磁电流，改变输出电压的大小即可改变 磁场的大小.l. 微安表，指示检波电流的大小.2. 注意事项1. 预热后立马开始实验.2. 注意特斯拉计的正确使用.3. 样品腔要与电磁铁两极平行.六、实验数据记录及处理1.共振磁场强度 b (|=1.9

8、7A ,=9.557GHz )次数12345B (mT356.2345.7350.0330.3337.95B5二 i 1B = =344.0mT5由不确定度公式得，A类不确定度& ="（； 1）【£归一B）2 =4.5mTB类不确定度冉=0.1mTB =、；匚2 七2 =4.5mT所以，B = B +M=344.0±4.5mT.2.g因子计算-5 -bB 一 344.0 10' 9.274 104£ Tgln f2g的不确定度Ag = I|7 IL X门Xi）=dln gdBabAB =竺=0.013Bh 6.626 10-4 9.557

9、 109g =弓985所以，g =1.985 _0.013相对误差E =g g理论g理论乂100%=0.75% （取 g 理论值为 2.000）.七、误差分析本实验的g因子误差为0.75%，在正常范围内.g因子的误差主要来源是谐振 频率的测量误差和共振磁场的测量误差.谐振频率的测量误差主要来自波长计自身误差和读数误差. 在一定的读数范 围内微安表的数值都为最小值，所以最小值点对应的频率值会有偏差， 但由此造 成的误差并不大.共振磁场强度的测量误差主要来自特斯拉计的读数误差和电磁场的不稳 定.特斯拉计读数时波动较大，且由丁测量端面与磁场方向并不严格垂直， 都会 造成误差，而各次特斯拉计在磁场中的

10、位置不同也会使读数变化较大.而电磁场随时间而变小，故要尽可能迅速地测量.八、实验心得第一次自主性实验，虽然仍有前人的经验经历可以参考，但与之前做的物理 实验相比，这次实验的自主性大大加强了，从中学到了很多，收获颇丰.一开始很好奇，小课题和其他普通实验有什么区别，以为自己要做大量的实 验采集大量的数据做统计分析.这一番下来，其实不然.个人觉得我们的这组小 课题并不是实验规模的扩大，而是对查阅文献、实验故障排除的能力训练.实验初期是对课题资料的搜集，网上、图书馆资料很多，但真正对实验有用 并且我要能理解的就不多了 .我找了科学出版社的一本铁磁学（下册）和一本凝聚态磁性物理，看了 “磁化强度的一致进

11、动和铁磁共振”和“旋磁性和 铁磁共振”等章节，但针对性都不强.之后在网上找了很多类似实验的实验报告 和实验操作视频，方才对实验原理、步骤等有了一定的了解.进入正式实验阶段后，才发现实验仪器状态和原先预想的有很大的偏差.可 能是以前小实验中，指导老师会帮助调试仪器，做几个实验数据回去处理分析就 好了.而这次，仪器要自己调试，一上手就大手大脚地来，结果微安表根本没有 读数显示，就怀疑是仪器问题或是方法不对.在得到老师微安表出错几率很小的 反馈后，开始细心地调节仪器.这其间，我们也拆下过检波器，直接与信号发生 源相连，确认了微安表与检波器可以正常工作. 在反复地调节下，终于完成了测 量，真有种“千年的等待，只为这一瞬的绽放”的感觉.从资料搜集到开展实验再到报告总结，这个过程让我知道了自