铁磁共振实验报告

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（Hogan）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，当改变外加恒定磁场H的大小时，发生的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）（其中，为旋磁比，为普朗克常数，为稳恒外磁场）又有，故（其中，即为要求的朗德因子，其值约为2为玻尔磁子， 其值为）若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 （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） 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，因此我们可以用微波（约=9GHZ）来提供电子跃迁所需的能量在实验中微波的频率是固定的，其在谐振腔中样品处的能量也是固定的要产生磁共振电子能级间的能量差必须等于该值我们改变励磁电流值，使外磁场磁感应强度变化，因而使电子能级间的能量差随之改变，当其接近于微波能量值时，电子就要吸收微波磁场的能量，产生铁磁共振，表现为检波器的输出电流减小，电流最小值对应的外磁场为谐振时的磁感应强度值，此时等式 成立，由特斯拉计测出，由波长表可读出，、为常数，则3.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理由图一图一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，当它不等于粒子处微波能量时，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等于粒子处微波能量时，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，使得通过谐振腔后的功率输出最大，即通过式谐振腔处于谐振状态并调整可变衰减器使得微安表的指针位于刻度表的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5 把装置推入电磁铁，保持样品处于磁场中央，调节电磁铁电流，使得微安表读数最小，这时处于共振状态，记录下此时的磁场强度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9GHZ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(I=1.97A , =9.557GHz)次数12345B（mT）356.2345.7350.0330.3337.9由不确定度公式得，A类不确定度=4.5mT B类不确定度=0.1mT =4.5mT所以，=344.04.5mT2. g因子计算g的不确定度所以，相对误差（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，且由于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己在查找文献、具体实验等方面锻炼的欠缺最大的收获就是实验一定要有耐心，要对自己和仪器有信心在确认实验方法正确的前提下，要学会检查仪器是否正常每一点微小的偏差都可能引起实验结果很大的偏差甚至得不到任何结果，所以实验操作一定要到位这次实验可以说是给以后真正的科研做的铺垫它不仅仅是对我实验技能的培养，更是让我对实验态度有了一个新认识- 5 -