近代物理试验报告

1、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共振线宽AB,旋磁比7以及g因子和弛豫时间To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

2、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瓦和微波磁场a的作用后，磁矩的进动情况将发生重要的变化。一方面，恒磁场耳使铁磁场物质被磁化到饱和状态，当磁矩而原来平衡方向与琼有夹角夕时，耳使磁矩绕它的方向作进动，频率为/=烈员；另一方面，微波磁场耳强迫进动的磁矩而随着目的作用而改变进h动状态，曲的进动频率再不是心了，而是以某一频率绕着恒磁场耳作进动，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v=%时，耦合到面的能量刚好与血进动时受到阻

3、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。在恒磁场可（即百°）和微波磁场R（即E）的作用下，其进动方程可写为：/1M,一二一丁（MXH）+T（8-1）dt上式中/=g上为旋磁比，g为朗德因子，B（即百）为恒磁场耳（即£）和微波2叫磁场耳（即1；）合成的总磁场，亍为阻尼力矩，比系统从微波磁场R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，夕减少得快，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r来表示，t的定义是进动振幅减小到原来最大振幅的1/e所需要的时

4、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，趋于平衡电磁铁微波磁场样品恒陵场一（直流磁场）图(83)铁磁共振原理图根据磁学理论可知，磁导率与磁化率7之间有如下关系：N=1+4ir7(8-2)在交变磁场a作用下，铁磁物质内部结构对磁矩丘的运动有阻尼作用，所以磁性材料中的磁场口(即百)的变化落后于交变磁场R的变化，4要用复数表示："二"+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。当改变恒磁场尾(即百0)或微波频率N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

5、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：hv=g/BBr(8-3)鉴于铁磁性反映的是电子自旋磁矩的集体行为，g2,卜为进动频率，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AB磁矩就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AB来表示。固定微波频率不变，铁氧体在恒磁场瓦和微波磁场6

6、的共同作用下，”随坨的变化曲线称为铁磁共振吸收谱线，如图(84)所示。在共振时“有最大值“m，令处的磁场分别为4和则AB=4-B?就是铁磁共振线宽。一般AB愈窄，磁损耗愈低。AB值的大小反映了磁损耗的大小，测量AB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AB图(8-5)PB。曲线在实验中往往不是直接测量“与B口的关系来确定AB值，而是测量微波功率通过谐振腔后的功率变化来确定AB值的，通过谐振腔后的功率P随B0的变化见图（8-5）所示。图中Ps是远离铁磁共振区时谐振腔的输出功率，耳是铁磁共振时输出功率，Rq是半功率点（即相当于”=41/2处的输出功率）

7、。一般情况下，正确的考虑了频散效应的影响，为2点由下式确定：2PP（8-4）Ps+R根据（8-4）式得Pg,可由PB口曲线求出AB值。3 .弛豫时间T根据磁学理论可知，AB与t之间有如下关系：2r=（8-5）*B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

8、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Po1 .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兄的参考点。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BI关系，画出PB关系曲线求出共振线宽AB,共振磁场B1,旋能比7以

9、及g因子和弛豫时间ro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（86）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:B/mT实验数据处理:1.实验公式与结果多晶体结果v=8.941MHzB,=317.3mT;%=驮bB0由h11可得：g=2.01；旋磁比7=g上，z=1.77xlOnC/：2mePw=80,=25,Pi=徵=38.1;AB=20.8niT;弛豫时间t=，一=5.4X10-10s.单晶体结果v=&944MHzBr320.OinT;v_驮bB0由hh可得：g=2.00；旋磁比7=g上，7=1.76X10

10、11（：/Kg；2m.4=87,2=30=徵=5.8;AB=0.8niT;弛像时间二一=1.42X10-8s.B2.数据表格数据表格见PDF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？2. 测量磁共振线宽"要保证哪些条件？它的物理意义是什么？3. 本实验中传输式谐振腔n为什么取偶数？4. 样品磁导率的和4分别反映什么？.5.样品磁导率的"会在实验中造成什么影响？6.

11、 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=gpB。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。电了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。一般"愈窄，磁损耗愈低。回值的大小反映了磁损耗的大小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4和”分别反映在铁磁质中的磁场贮能以及损耗能。5、”会使谐振腔的谐振频率发生偏移，即频散效应。的大小还决定了磁场在铁磁质中贮能的大小，越大，贮能越大，损耗能越小，P-B曲线的谷越窄。6、 通过计算必来表征磁损耗。7、 要得到