旋磁性和铁磁共振现象ppt课件

本节讨论恒定磁场和高频交变磁场共同作用下的铁磁体:磁化率〔磁导率〕变为张量，存在损耗的情况下，各张量元均为复数因磁化率张量是非对称的，电磁波在磁化介质中沿磁化方向传播时，会发生偏振面的旋转，称作旋磁性恒定磁场的强度和高频交变磁场的频率满足一定关系时，铁磁体从交变场中吸收的能量到达极大值，我们称之为铁磁共振景象交变磁场的幅值超越一定限制时会出现一系列的非线性效应 铁磁资料的旋磁性和铁磁共振景象在微波器件上有着广泛的运用，是铁氧体磁性资料的重要运用领域参考姜书第参考姜书第7章章6.1 旋磁性和铁磁共振景象摘自摘自kittel 8版版p253 (下面 M＝MS，H 都是矢量〕 在第二章关于抗磁性的讨论中，我们曾给出原子磁距在外磁场中的运动方程： 是原子磁距，γ是旋磁比，g 是朗德因子推行到大块物质上，那么是：由此方程可以看出，当磁距不在磁场方向时，将环绕磁场做进动，永远不会转向磁场方向，显然这与现实不符，必需思索阻尼项的影响阻尼的存在使进动能量逐渐耗费，进动角减小直至磁距和磁场平行为止。

因此，进动方程的完好表示应为：进动方向一一. 磁矩进动方程磁矩进动方程阻尼的来源是复杂的，人们唯像地提出了三种表达方式：朗道－栗弗席兹方式吉尔伯特方式布洛赫方式或： 三种方式对阻尼的表述是不同的，但作用是一致的，处置三种方式对阻尼的表述是不同的，但作用是一致的，处置磁共振问题时可以根据情况选择运用，当进动角很小，损耗也磁共振问题时可以根据情况选择运用，当进动角很小，损耗也很小时，可以证明它们系数之间的关系是：很小时，可以证明它们系数之间的关系是： 上述方程中的磁场应该指铁磁体内的有效磁场：为了集中阐明铁磁体在恒磁场和交变场同时作用时的根本性质，我们首先排除恒磁场之外的其它影响，提出如上假定1. 无阻尼时的自在进动频率：只存在恒磁场情况由于有：这是一个典型的简谐振动方程，其解可以表示为：恒定值二二. 各向同性、均匀、饱和磁化、无限大样品中的一致进动各向同性、均匀、饱和磁化、无限大样品中的一致进动代入方程中有：有解条件是其系数行列式为零，即：这就是自在进动频率代入方程可以证明：这就是自在进动频率代入方程可以证明：显然进动是右旋的显然进动是右旋的进动频率对自旋系统，g＝2，有：交变磁场在微波频段交变磁场在微波频段令：在 h<

其张量元都是频率的函数，在ω＝ω0时，发生共振，张量元〔在无损耗下〕无限大出现张量磁化率的意义是：由于进动，某方向上的微波磁感应强度不但与同方向上微波磁场强度有关，也与垂直方向的微波磁场强度有关或者说某方向上微波磁场不但影响该方向上的磁感应强度，而且还影响垂直方向上的磁感应强度求解有阻尼项的旋磁方程：共振频率发生漂移：张量元变为复数：求解方法同上，过程从略，其结果是： 张量元的实部和虚部都是频率的函数，会发生频散和吸收，其计算曲线如以下图所示，接近共振频率时， 变化猛烈并能够出现负值， 出现最大值，即损耗到达极大3. 有阻尼时，磁导率张量元变为复数：有阻尼时，磁导率张量元变为复数：按正负圆偏振交变磁场情况来讨论铁磁体的共振，更能反映其特征 只需正圆偏振〔右旋〕只需正圆偏振〔右旋〕存在频散和吸收，对负圆偏存在频散和吸收，对负圆偏振〔左旋〕振〔左旋〕 ，频率影响不，频率影响不大这一特点对磁性资料的大这一特点对磁性资料的运用非常重要运用非常重要4. 正负圆偏振交变磁场作用下的标量磁导率正负圆偏振交变磁场作用下的标量磁导率在共振频率处，磁导率虚部出现极大值，意味着当微波磁场频率和磁距进动频率相等时， 磁距进动从微波场中吸收的能量最多、并经过阻尼作用耗费掉，变为热能。

共振是两种运动频率相等时产生的剧烈的能量交换景象不同资料的阻尼情况不同，损耗大小也不同通常用共振线宽ΔH 来表示，定义如图：可以证明共振线宽和阻尼系数的关系为：这是一个很重要的关系式，丈量共振线宽ΔH 即可以估算出阻尼系数的数值研讨影响共振线宽的要素不断是铁磁共振研讨的重要内容共振丈量普通是固定微波频率，改动磁场数值三三. 共振线宽和损耗机理共振线宽和损耗机理实践资料：可以估出： 由此可见 弛豫过程是非常短暂的，其机理尚不完全清楚，比较可以一定的是：或经过自旋－晶格耦合使磁距一致进动的能量直接转化为声子；或先经过自旋－自旋耦合，使磁距的一致进动转变为非一致进动，磁距的非一致进动再经过自旋－晶格耦合转变为声子，总之都转变为晶格的热振动，使资料的温度升高1. 外形的影响：2. 磁晶各向异性的影响：〔以立方晶系为例〕3. 自然共振：没有外磁场时，资料内部的磁晶各向异性场和微波交变磁场结协作用也会引起共振，称自然共振由于不加外场时磁畴构造比较复杂，畴壁上的退磁能直接影响着共振频率，因此自然共振峰往往出如今一个很宽的频率范围内，成为许多铁氧体高频或超高频波段频散和损耗的来源4. 未饱和磁化的影响；当微波频率较低，相应的共振磁场缺乏以使铁磁体饱和磁化时，由于磁畴外形和磁矩取向的差别，其共振频率不会是单一的，而是出如今一个较宽的频率范围内，同一外磁场下会出现复峰或多峰。

5. 多晶资料的共振：各种不同的磁晶各异效果，共振峰很宽共振频率和磁场取向有关共振频率和磁场取向有关四四. 各种要素对铁磁共振频率的影响各种要素对铁磁共振频率的影响球型样品：圆薄片样品：圆柱样品：复杂情形共振频率确实定要从能量关系出发：首先写出其能量表达式：给出平衡位置θ0φ0，并在平衡位置附近做能量展开，代入旋磁方程求解后，有：令：经过有：前面几节中都假定样品中的原子磁矩在围绕恒磁场的进动过程中一直坚持方向一致，没有相位上的差别，然而实践上是存在着非一致进动的，静磁性共振和自旋波共振就属于非一致进动静磁型共振：当样品处在谐振腔中微波磁场分布不均匀的地方静磁型共振：当样品处在谐振腔中微波磁场分布不均匀的地方时，同一频率下，改动恒磁场强度会察看到一系列的共振峰，时，同一频率下，改动恒磁场强度会察看到一系列的共振峰，其主峰是一致共振，其它是非一致共振峰其主峰是一致共振，其它是非一致共振峰自旋波共振：当微波磁场所激发的磁距非一致进动的空间波长自旋波共振：当微波磁场所激发的磁距非一致进动的空间波长变的很小，以致于不能忽视交换场的作用时，电子自旋在磁场变的很小，以致于不能忽视交换场的作用时，电子自旋在磁场中的进动就不再是分立的静磁型共振，而变为自旋波。

中的进动就不再是分立的静磁型共振，而变为自旋波五五. 非一致进动：静磁型共振和自旋波谱非一致进动：静磁型共振和自旋波谱一致共振峰 电磁波在旋磁介质中传播时，会发生一些特殊的景象： 1. 法拉第效应：当电磁波平行于磁场方向传播时，由于正负圆偏振波的传播速度不同，会发生偏振面的旋转而且这种偏转只和恒磁场的方向有关，和电磁波的传播方向无关利用法拉第效应可以制形成非互易器件2.科顿－毛顿效应：电磁波垂直于恒磁场方向传播时，会发生科顿－毛顿效应：电磁波垂直于恒磁场方向传播时，会发生3. 双折射景象双折射景象六六. 电磁波在旋磁介质中的传播电磁波在旋磁介质中的传播以上讨论虽只针对铁磁物质进展，但一切自旋系统在恒定磁场和交变磁场共同作用下，都会发生共振景象，所以磁共振是物质最普遍的性质之一，有着越来越广泛的运用文献中常用到的缩写有：FMR〔铁磁共振〕,AFMR〔反铁磁共振〕,SWR〔自旋波共振〕，EPR〔电子顺磁共振〕,ESR〔电子自旋共振〕，NMR〔核磁共振〕NQR〔核四极矩共振〕等 以上各种磁共振的原理是一样的，都可以用有阻尼的旋磁方程来处置非强磁资料的磁共振多用于提示物质的内部构造，已成为物质构造研讨的常规手段。

特别是NMR，已在有机化学和生物化学领域中成为鉴定复杂分子和测定复杂分子构造的最有力工具NMR成像技术〔MRI〕还在医学中得到广泛运用七七. 丰富多彩的磁共振景象丰富多彩的磁共振景象4534一个球形单畴颗粒，具有单轴磁晶各向异性沿垂直易磁化轴方向加磁场证明在弱磁场中的磁化率为。