补充讲义-北京师范大学物理学系.PDFVIP

实验 微波与铁磁共振 受目前可得到的磁感应强度的限制，磁共振所涉及的共振频率一般处于射频与微波频段。 通常，当材料的磁化强度较小（比如核磁共振）或者当所用的磁场较弱时（比如光泵磁共振）， 常用射频电磁波做磁共振的激励信号；但在铁磁和电子顺磁共振中，由于它们的磁矩较大， 磁效应比较显著，一般采用频率较高的微波来观测其磁共振效应。因为在微波波段，其能量 量子大约是10-6 -3 -10 eV，许多原子和分子发射和吸收的电磁波的能量正好处在这个波段，所 以，微波与物质相互作用时可以发生共振现象。 通过本实验主要让学生了解微波体效应振荡器的工作原理，了解微波传输的基本原理、 方法和元件，掌握传输式谐振腔的工作特性，了解用谐振腔观察铁磁共振的基本原理和实验 条件。 一、微波 (一) 微波的性质 微波是频率非常高、波长非常短的电磁波，其频率范围的划分并无统一的规定，通常将 波长范围在0.1cm—100cm 之间（相应的频率从 3×10８ １1 Hz 到3×10 Hz）的电磁波划为微波 波段。如表1 所示，根据微波波长的不同，微波可分为四个分波段： 表1 微波波段的划分 波段名称 波长范围 频率范围/GHz 波段名称 分米波 1m - 10cm 0.3 - 3 超高频UHF 厘米波 10cm - 1cm 3 - 30 特高频SHF 毫米波 1cm - 1mm 30 - 300 极高频EHF 亚毫米波 1mm –0.1mm 300 - 3000 超极高频 在本实验中采用的微波是波长在3 厘米左右的厘米波。 在电磁波波谱中，微波在其低频段与普通的无限电波相连，而在其高频端与远红外线毗 邻，但微波的波长决定了它的性质既不同于无线电波，也不同于光波。微波的应用领域、研 究方法和所用的传输元件、测量装置都与别的波段的电磁波不同而自成体系，成为一门独立 的学科。 微波的独特性质主要表现在以下四个方面： 1．高频特性 微波的振荡频率极高(在3×108Hz 以上)，这样许多在低频波段可以忽略的效应在微波波 段会变得非常的明显，比如，真空电子管中的“电子渡越时间”约为 10-10 秒，这比无线电 波的振荡周期要小的多，可以忽略不计，可对微波振荡来说，时间就太长了，电子的惯性就 必须加以考虑，因此传统的电子器件在微波波段就不能使用，而是被建立在新原理基础上的 微波电子管、微波固体器件和量子器件所代替。 另外，由于微波的频率高，在不大的相对带宽下，其可用的带宽很宽，所以增加了信息 的容量，使得微波具有巨大的信息传输潜力。 2．短波性 微波的波长比一般的宏观物体，如建筑物、舰船、飞机的尺寸要小得多，所以遇到这些 1 物体时，微波会产生明显的反射。另一方面，微波波长可以和一般电子元件的大小相比拟， 每段导线、每个元件都可以成为微波发射天线，不断辐射能量，因而微波不可能在一般的电 路中传输。它的传输线将是波导管、谐振腔等。在一般电路里，有电压，电流的概念，采用 集中参数，如电阻、电感、电容来分析电路。而在微波波段，这种概念已失去意义，元件的 参数是沿空间分布的，常用分布参数来描述微波电路的特性。 3．似光性 微波传播方向性很强，具有类似于光的直线传播特性。遇到障碍物也会发生吸收、反射 和折射。微波能畅通无阻地穿过地球上空的电离层，成为电磁波谱中的“宇宙窗口”。这样 就使微波在雷达通讯、定向导航、卫星通讯、射电天文学等领域有着广泛的应用，它使得地 球任何角落之间的直接通讯成为可能。不过，正是由于微波不能被电离层所反射，所以利用 微波进行远距离通讯时需要中继站接力。 4．量子特性 微波还显示出较强的量子特性，微波量子的能量在10-5 -2