铁磁共振

实验十八 铁磁共振（FMR)在现代,铁磁共振也和顺磁共振、核磁共振……等一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段.铁磁共振在磁学乃至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。

而微波铁氧体在雷达技术和微波通讯方面都已获得重要应用。

早在1935年著名苏联物理学家兰道（л·д·лaHдay )等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。

十几年后超高频技术发展起来，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，这是因为多晶样品的共振吸收线较宽，又非洛仑兹分布，也不对称；并在许多样品中出现细结构.单晶样品的共振数据易于分析，不仅普遍被用来测量g 因子、共振线宽及弛豫时间，而且还可以测量磁晶各向异性参量. 【实验目的】1。

熟悉微波信号源的组成和使用方法，学习微波装置调整技术。

2。

了解铁磁共振的基本原理，学习用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件. 3.测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；测量微波铁氧体的g 因子。

【实验仪器】DH800A 型微波铁磁共振实验系统和示波器等。

【实验原理】 1。

铁磁共振铁磁物质的磁性来源于原子磁矩，一般原子磁矩主要由未满壳层电子轨道磁矩和电子自旋磁矩决定。

在铁磁性物质中，电子轨道磁矩受晶场作用，其方向不停地在变化，不能产生联合磁矩，对外不表现磁性,故其原子磁矩来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩。

但是,铁磁性物质中电子自旋由于交换作用形成磁有序,任何一块铁磁体内部都形成许多磁矩取向一致的微小自发磁化区(约个原子）称为“磁畴”，平时“磁畴"的排列方向是混乱的，所以在未磁化前对外不显磁性，在足够强的外磁场作用下，即可达到饱和磁化,引用磁化强度矢量M ,它表征铁磁物质中全体电子自旋磁矩的集体行为，简称为系统磁矩M .处于稳恒磁场B 和微波磁场H 中的铁磁物质，它的微波磁感应强度H 可表示为0b=ij H μμ （1）ij μ称为张量磁导率,0μ为真空中的磁导率.,10000⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-=μμμjKjKij （2）μ、K 称为张量磁导率的元素.=-j μμμ'''=K -jK K ''' （3）μ、K 的实部和虚部随B 的变化曲线如图1(a 、b ）图1 a 实部变化曲线 b 虚部变化曲线μ'、K '在0B γωγ=处的数值和符号都剧烈变化称为色散.μ''、K ''在0ωγ处达到极大值称为共振吸收，此现象即为铁磁共振.这里0ω为微波磁场的旋转频率，γ为铁磁物质的旋磁比.g h B⋅=πμγ2 （4)上式中:2419.2741102B eeJ T m μ--==⨯⋅，称为玻尔磁子,346.626210h J s -=⨯⋅，是普朗克常数.μ''定义为铁磁物质能的损耗，微波铁磁材料在频率为0f 的微波磁场中,当改变铁磁材料样品上的稳恒磁场B 时，在满足00B B ωγ==时，此时磁损耗最大，常用共振吸收线宽ΔB 来描术铁磁物质的磁损耗大小。

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。

铁磁共振实验报告06系05级熊力PB05210489 实验目的：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ΔE = γhB（1）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：（3）hν = γh B2πν = γ B（4）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。

实验设备： 微波发生器，隔离器，定向耦合器，晶体检波器，微安计，谐振腔，铁氧体小球，精密衰减器，磁铁，示波器 实验处理： 1．测谐振频率：打开微波电源，先预热半个小时，调节衰减器，使微安表有56μA 的指示。

然后旋转波长表的螺旋测微器，微安表电流指示逐渐减小，当电流达最小值时，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。

实验刚开始时，测得结果见下：由此可求出谐振频率为：6111(2.963 2.965 2.962 2.960 2.963 2.960) 2.96266i i mm mm λλ-===⨯+++++=∑对应的频率为8997MHZ第一次测量之后，旋转波长表的螺旋测微器，使微安表示数较大。

铁磁共振刘艳鑫微波铁磁共振（FMR ）是指铁磁介质处在频率为f 的微波电磁场中，当改变外加恒磁场H 的大小时，发生的共振吸收现象。

铁磁共振观察的对象是铁磁介质中的未偶电子，可以说它是铁磁介质中的电子自旋共振。

铁磁共振不仅是磁性材料在微波技术应用上的物理基础，也是研究其它宏观性能与微观结构的有效手段。

一、 实验目的1、了解铁磁共振（FMR ）的基本原理和实验方法。

2、通过测定多晶铁氧体YIG 小球的磁共振谱线，求出共振线宽、朗德因子和弛豫时间.3、 观察单晶铁氧体YIG 小球的磁共振谱线（选做）.二 、实验原理由磁学理论可知，物质的铁磁性主要来源于原子或离子在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括许多磁畴，在每一个磁畴中，自旋磁矩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，只有在外加饱和磁场的作用下，铁磁体内部的所有自旋磁矩才趋向同一方向，并围绕着外磁场方向作进动，这时的总磁矩或磁化强度可用M 表示。

其进动方程和进动频率可分别写为：⎪⎭⎪⎬⎫=⨯-=H H M M γωγ)(dt d （1） 式中mc ge 2=γ为旋磁比，由于铁磁性反映了电子自旋磁矩的集体行为，取电子的朗德因子g =2。

上述情况未考虑阻尼作用。

在外加恒磁场作用下，磁矩M 绕H 进动不会很久，因为磁介质内部有损耗存在，实际上铁磁物质的自旋磁矩与周围环境之间必定存在着能量的交换，与晶格或邻近的磁矩存在着某种耦合，使磁化强度矢量M 的进动受到阻力，绕着外磁场进动的幅角θ会逐渐减小。

则M 最终趋近磁场方向，这个过程就是磁化过程，磁性介质所以能被磁化，就说明其内部有损耗，如果要维持其进动，必须另外提供能量。

因此一般来说外加磁场由两部分组成：一是外加恒磁场H , 二是交变磁场h （即微波磁场）。

显然，此时系统从微波磁场吸收的全部能量恰好补充铁磁样品通过某种机制所损耗的能量。

这正是铁磁共振可以用来研究铁磁材料的宏观性能和微观机制之间关系的物理基础。

铁磁共振实验邱正明一. 基本原理铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。

基本原理：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:0B h E γ=∆ （1）其中：γ为旋磁比，h 为约化普朗可常数，B 0为稳恒外磁场。

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:νh （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：o B h h γν= （3）2πν=γB 0 （4）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。

二. 实验设备图一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。

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，样品即放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直。

g. 固体微波信号源，产生9GH Z 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。

m. 微波电源，为固体微波信号源提供电源。

三. 实验原理铁磁共振实际上是铁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。

所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量h ν大的多，因此我们用微波（约ν=9GH Z ）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，其在谐振腔中样品处的能量h ν也是固定的。

要产生磁共振电子能级间的能量差B h γ必须等于该值，我们改变励磁电流值，使外磁场磁感应强度B 变化，因而使电子能级间的能量差B h γ随之改变，当其接近于微波能量值νh 时，电子就要吸收微波磁场的能量，产生铁磁共振，表现为检波二极管的输出电流减小，电流最小值对应的外磁场B r 为谐振时的磁感应强度值，此时等式r B h h γν=成立，B r 由实验所测得的共振吸收曲线（图三）求得，ν由波长表测出，γ即可求出。

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：铁磁共振实验 【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。

3、学会测量微波铁氧体的铁磁共振线宽和g 因子的测量。

【实验原理】一. 微波铁磁共振的基本原理由磁学理论可知，物质的铁磁性主要来源于原子或离子在未满壳层中存在的未成对电子自旋磁矩。

其进动方程和进动频率可分别写为：⎪⎭⎪⎬⎫=⨯-=B dt d γωγ)(B M M (B6-1)式中g m ee2=γ为旋磁比，g 为电子的朗德因子，理论上g ＝2。

上述情况未考虑阻尼作用。

当外加微波磁场H m 的角频率错误！未找到引用源。

0与磁化强度矢量M 进动的角频率错误！未找到引用源。

相等时，铁磁物质吸收外界微波的能量用以克服阻尼并维持进动，这就发生了共振吸收现象。

由（B6-1）式可知，发生铁磁共振时的恒磁场B 0与微波角频率错误！未找到引用源。

0满足00B γω= (B6-2)从量子力学观点看来，当电磁场的量子ћ ω0 刚好等于系统M 的两个相邻塞曼能级间的能量差∆E 时，就会发生共振现象。

此时000B g B E B μγω===∆ 或00B γω= (B6-3)其中，eB m e 2=μ12410274.9--⋅⨯=T J ，为波尔磁子。

二. 磁性材料的磁导率和铁磁共振线宽磁学中通常用磁导率μ来表示磁性材料被磁化的难易程度。

在恒定磁场下，μ可用实数表示；在交变磁场下，μ要用复数表示：图B6-1 磁化强度矢量绕外磁场的进动图B6-2 铁磁共振曲线μμμ''-'=i (B6-4)其中实部μ'为铁磁介质在恒定磁场中的磁导率，它决定磁性材料中储存的磁能，虚部μ''反映交变磁场时磁性材料的磁能损耗。

三. 微波（样品）谐振腔截面为a×b (a>b)，长为l 的一段波导管，两端用金属片封闭，为了微波的进入和少量泄露（以便检测），这两片金属片或其中的一片开有小孔（耦合孔）。

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。

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。