Ферромагнитный резонанс - одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами ω₀ прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутреннем эффективном магнитном поле Н_эф. ферромагнитный резонанс - в более узком смысле – возбуждение колебаний типа однородной (во всём объёме образца) прецессии вектора намагниченности J (спиновых волн с волновым вектором k = 0), вызываемое магнитным СВЧ-полем, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю H₀. Однородный ферромагнитный резонанс, как и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), может быть обнаружен методами магнитной радиоспектроскопии. Поскольку магнитная СВЧ-восприимчивость (а следовательно, и поглощение) пропорциональна статической магнитной восприимчивости

c₀ = J_s/H₀, где Js – намагниченность насыщения ферромагнетика, то при ферромагнитном резонансе поглощение на несколько порядков больше, чем при ЭПР.

Благодаря спонтанной намагниченности ферромагнетика поле Н_эф может существенно отличаться от внешнего поля H₀ (из-за магнитной анизотропии и размагничивающих эффектов поверхности образца). Основные характеристики ферромагнитного резонанса – резонансные частоты, релаксация, форма и ширина линий поглощения, нелинейные эффекты определяются коллективной многоэлектронной природой ферромагнетизма. Квантовомеханическая теория ферромагнитный резонанса приводит к тому же выражению для частоты ферромагнитного резонанса ω₀ , как и в классическом рассмотрении

где

- магнитомеханическое отношение, g – фактор спектроскопического расщепления (множитель Ланде). Через Н_эф частота ω₀ зависит от формы образца, от ориентации  H₀ относительно осей симметрии кристалла и от температуры. Наличие доменной структуры в ферромагнетике усложняет ферромагнитный резонанс, приводя к возможности появления нескольких резонансных пиков.

Обычно имеют дело с неоднородным ферромагнитный резонансом возбуждением магнитным СВЧ-полем неоднородных типов коллективных колебаний J_s (спиновых волн), специфичных именно для ферромагнетиков. Существование нескольких типов резонансных колебаний, ветвей ферромагнитного резонанса (спиновых волн), наряду с колебаниями типа однородной прецессии (с k = 0) совершенно меняет характер магнитной релаксации и уширения линий поглощения при ферромагнитном резонансе по сравнению с ЭПР. С квантовомеханической точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние спиновых волн друг на друге, на тепловых колебаниях (фононах) и на электронах проводимости (в металлах). Например, при однородном резонансе релаксация проявляется в уширении его линии поглощения на величину

где τ₀ - время релаксации, то есть среднее "время жизни" спиновой волны с k =0. Ширина линии dН для различных ферромагнетиков меняется в пределах от 0,1 до 10³Э. Основную роль в уширении линии играют статические неоднородности: примесные атомы, поры, дислокации, мельчайшие шероховатости на поверхности образца.

Наиболее узкая линия (с dН =0,53 э) наблюдалась в монокристалле соединения иттриевом феррите со структурой граната. В металлических ферромагнетиках один из главных механизмов уширения линий ферромагнитного резонанса связан со скин-эффектом: СВЧ-поле из-за вихревых токов становится неоднородным и поэтому возбуждает широкий спектр спиновых волн. Существенную роль в рассеянии спиновых волн в металлических ферромагнетиках играет также взаимодействие волн с электронами проводимости. Ширина наиболее узкой линии ферромагнитного резонанса в металлических ферромагнетиках по порядку величины составляет 10 э.

Нелинейные эффекты ферромагнитного резонанса определяются связью между однородной прецессией магнитных моментов и неоднородными типами колебаний, которые отсутствуют при ЭПР. Из-за указанной связи при увеличении амплитуды напряжённости магнитного поля до некоторой критической величины начинается быстрый (экспоненциальный) рост колебаний с определёнными волновыми числами (так называемое нестабильное возбуждение колебаний).

Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках могут привести к параметрическому возбуждению нестабильных колебаний кристаллической решётки (фононов) магнитным СВЧ-полем и обратному эффекту возбуждению спиновых волн СВЧ-полем упругих напряжений (гиперзвуком).

Ферромагнитный резонанс часто понимается в широком смысле как совокупность явлений, происходящих в ферро- и ферримагнетиках, находящихся в постоянном (или медленно изменяющемся) магнитное поле и переменном электромагнитное поле диапазона СВЧ. При таком определении ферромагнитный резонанс – это явление лежит в основе всех магнитных (ферритовых) устройств, используемых в технике СВЧ. Если принять более узкое определение ферромагнитный резонанса как совокупности явлений, происходящих вблизи резонансных значений частоты и поля, то ферромагнитный резонанс в поликристаллических ферритах используется в резонансных вентилях СВЧ-диапазона, а в монокристаллах – в ферритовых СВЧ-фильтрах. Ферромагнитный резонанс широко применяется для измерения параметров ферро- и ферримагнетиков; констант магнитная кристаллография, анизотропии, магнитоупругих постоянных, а также (с применением несферических образцов или уокеровских типов колебаний в сферах) постоянной намагниченности.

Свойства ферритовых резонаторов, находят применение при построении избирательных по частоте измерителей мощности. Такой измеритель представляет собой сочетание ферритового перестраиваемого фильтра и измерителя мощности. Панорамный измеритель реализуют по такой же функциональной схеме, что и анализатор спектра с ферритовым фильтром. Единственное отличие состоит в том, что вместо детекторной головки в схему введен измеритель поглощаемой мощности.

Избирательные свойства ферритового резонатора, как известно, проявляются в увеличении угла прецессии α вблизи частоты ферромагнитного резонанса f₀. С увеличением угла α увеличиваются потери в феррите и происходит некоторый его нагрев. Приращение температуры в установившемся режиме является мерой подводимой к резонатору мощности. Измерив приращение температуры резонатора, в принципе можно определить проводимость феррита на постоянном токе. В этом случае феррит используют как термистор. Однако из-за малой проводимости феррита такие измерения проводить неудобно, а чувствительность оказывается очень низкой.
Значительно большая чувствительность свойственна ферритовым тепловым преобразователям — ферритовым резонаторам с полупроводниковым термистором. Термистор находится в хорошем тепловом контакте с резонатором и служит для измерения температуры последнего.

 

 

Установки (спектрометры) для экспериментального исследования ферромагнитного резонанса включают в себя генератор СВЧ, резонатор или волновод с исследуемым образцом, детектор с системой индикации и магнитную систему. Они принципиально не отличаются от спектрометров ЭПР. Но при исследовании ферромагнитного резонанса, в отличие от ЭПР, обычно не требуется (кроме случая тонких плёнок или проволок) высокой чувствительности, а возникает проблема правильного перехода от непосредственно измеряемых коэффициентов прохождения или отражения к компонентам тензора динамической магнитной восприимчивости.

Для фильтрации СВЧ колебаний используют ферритовые элементы в форме шариков или дисков —ферритовые резонаторы, которые перестраивают, изменяя постоянное магнитное поле. На рис. 1 показан фильтр наиболее распространенного типа — со скрещенными волноводами Л и В и связью через отверстие в широкой стенке.
Ферритовый резонатор (обычно шарик), расположенный в отверстии, находится в постоянном или медленно меняющемся поле H₀, создаваемом электромагнитом. Если частота СВЧ поля сильно отличается от f₀, то прецессия не возникает и волна из волновода А не попадает в волновод В, поскольку волноводы ортогональны. Если же частота СВЧ поля близка к частоте ферромагнитного резонанса, то начнется прецессия с частотой СВЧ поля и вращающийся магнитный момент возбудит поле в волноводе В. Таким образом, данное устройство работает как полосовой СВЧ фильтр.

 

Феррорезонансный трансформатор представляет собой совокупность двух магнитных цепей со слабой связью между ними. Выходная цепь содержит параллельный колебательный контур, подпитываемый от первичной цепи для компенсации мощности, поступающей в нагрузку.

В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения. Большие изменения входного напряжения не могут привести к значительным изменениям напряжения на выходе из-за насыщения выходной магнитной цепи. Ток, потребляемый феррорезонансным трансформатором почти синусоидальный. Коэффициент гармонических искажений тока очень невелик. Наиболее важно то, что коэффициент гармонических искажений остается небольшим независимо от того, какая нагрузка подключена к трансформатору: линейная или нелинейная. Таким свойством феррорезонансный трансформатор обязан слабой связи между входной и выходной магнитной цепями.

При полной нагрузке феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения с погрешностью около 1 % при изменении напряжения на входе на 15 % относительно номинального. Наибольшие возможности феррорезонансный трансформатор предоставляет, если его нагрузка меньше номинальной. Так, при нагрузке около 50 %, диапазон входных напряжений невероятно расширяется: более, чем до 50 % от номинального входного напряжения.
Особенностью входной характеристики трансформатора является то, что даже на режиме холостого хода (отсутствия нагрузки) резонансная цепь феррорезонансного трансформатора находится под напряжением и потребляет около 10 % номинальной мощности трансформатора. Вообще в тепловом отношении режим холостого хода является наиболее напряженным для феррорезонансного трансформатора.
Феррорезонансный трансформатор способен выдерживать любые перегрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение уменьшается и трансформатор не перегревается. Даже при коротком замыкании выходной ток трансформатора ограничивается примерно 150-200 % от номинального тока. Суммарная мощность, потребляемая трансформатором от сети во время короткого замыкания, не превышает 10 % от номинальной.
Недостатком феррорезонансного трансформатора является зависимость выходного напряжения от частоты электрической сети. При изменении частоты на 1 % выходное напряжение изменяется примерно на 1 – 1.5 %. Увеличение частоты приводит к увеличению напряжения.