铁磁共振 PPT课件

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。

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 振实验原理：铁磁共振一般是在微波频率下进行（波长为3cm 左右）。

将铁磁物质置于微波磁场中，它的微波磁感应轻度B m 可表示为B 0μ=m μ⋅ij H m （1） μ0为真空中的磁导率，μij 称为张量磁导率。

μij =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-1000μμjk jk（2） μ、k 称为张量磁导率的元素'''μμμj -= （3） '''jk k k -= （4）当外加稳恒磁场B 时，μ、k 的实部和虚部随B 的变化曲线如图 2.3.2-1。

μ’、k’在γω/0=r B 处数值和符号都剧烈变化，称为色散。

μ’’、k’’在γω/0=r B 处达到极大值，称为共振吸收，此现象即为铁磁共振。

这里ω0为微波磁场的角频率，γ为铁磁物质的旋磁比。

μ’’决定铁磁物质磁能的损耗，当γω/00==B B 时，磁损耗最大，常用共振吸收线宽B ∆来描述铁磁物质的磁损耗大小。

B ∆的定义如图2.3.2-2，它是μ’’/2处对应的磁场间隔，即半高宽度，它是磁性材料性能的一个重要参数。

研究它，对于研究铁磁共振的机理和磁性材料的性能有重要意义。

铁磁共振的宏观唯象理论的解释是，认为铁磁性物质总磁矩M 在稳恒磁场B 的作用下，绕B 进行，进动角频率B γω=，由于内部存在阻尼作用，M 的进动角会逐渐减小，逐渐趋于平衡方向，即B 的方向而被磁化。

当进动频率等于外加微波磁场H m 的角频率ω0时，M 吸收微波磁场能量，用以克服阻尼并维持进动，此时即发生铁磁共振。

铁磁物质在γω/0=r B 处呈现共振吸收，只适合于球状样品和磁晶各向异性较小的样品。

对于非球状样品，铁磁物质在稳恒磁场和微波磁场的作用下磁化，相应的会在内部产生所谓退磁场，从而使共振点发生位移，只有球状样品，退磁场对共振点没有影响。

另外，铁磁物质在磁场中被磁化的难易程度随方向而异，这种现象称为磁晶各向异性，它等效于一个内部磁场，也会使共振点发生位移，对于单晶样品，实验时，要先作晶轴定向，使易磁化方向转向稳恒磁场方向。

4.3微波铁磁共振铁磁共振是指铁磁体材料在受到相互垂直的稳恒磁场和交变磁场的共同作用时发生的共振现象，它观察的对象是铁磁介质中的未偶电子，因此它也可以说是铁磁介质中的电子自旋共振。

铁磁共振是研究物质宏观性能和微观结构的重要实验手段，利用铁磁共振现象可以测量铁磁体材料的g 因子、共振线宽、弛豫时间等性质，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。

早在1935年兰道（Landau ）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。

随着超高频技术的发展，1946年格里菲思（Griffiths ）在约9 GHz 和约25 GHz 微波频率下观测到金属Fe 、Co 和Ni 薄膜的铁磁共振。

1947年伯克斯（Birks ）和1948年休伊特（Hewitt ）在微波频段又先后观测到非金属γ-Fe 2O 3和（Mn ，Zn ）Fe 3O 4的铁磁共振。

自此之后，人们开始了铁磁共振技术的应用研究。

一、实验目的（加黑，不是用黑体！）（1）进一步熟悉微波传输中常用的元件及其作用。

（2）了解用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件。

（3）通过观测铁磁共振和测定有关物理量，认识铁磁共振一般特性。

二、实验原理1. 铁磁共振现象物质的磁性来源于原子磁矩，原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和核磁矩三部分。

在铁磁性物质中，核磁矩比电子磁矩小三个数量级可以忽略，同时电子轨道磁矩由于受晶场作用，方向不停变化，不能产生联合磁矩，因此其原子磁矩主要来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩。

铁磁物质由于电子自旋之间存在着强耦合作用，使其内部存在着许多自发磁化的小区域，即磁畴。

没有外磁场作用时，“磁畴”的排列呈无序状态，不显磁性，若外加磁场，铁磁物质将被磁化。

铁磁物质的磁导率在恒磁场中可以简单的实数来表示，而在稳恒磁场B 和交变磁场B' 的同时作用下时，其磁导率μ就要用复数来表示μμμ''+'=j （4.3.1） 实部μ' 为铁磁性物质在恒定磁场B 中的磁导率，它决定磁性材料中贮存的磁能，虚部μ'' 则反映交变磁能在磁性材料中的损耗。