Ferromagnetism
I en ferromagnet finns det en växelverkan som gör att de
magnetiska moment vill vara parallella med varandra. Det är inte den
dipol-dipol-kraften som vi känner när vi håller två
magneter bredvid varandra, för en sådan växelverkan är
mycket mindre än kT vid rumstemperatur.
Uppgift:
- Räkna ut hur stark magnetfält det behövs för att
energiskillnaden ska vara lika med kT vid rumstemperatur för en
magnetisk dipol av en Bohr-magneton.
- Räkna ut hur stor energi-skillnaden är för ett
magnetiskt moment på 1 Bohr-magneton i ett fält av ett annat
magnetiskt moment på 1 Bohr-magneton på en avstånd av 2 Ångström.
Förklarningen för den stora energiskillnaden ligger alltså
inte i dipolkraften, men i överlap mellan atomernas
vågfunktioner. På samma atom är den stor (type 1 eV
mellan de 3d-elektronerna på samma järnatom), mellan atomer
är den mycket mindre (typ 25 meV). Den lägste energin har ett
ferromagnetiskt system alltså om varje atom har samma spin-riktning
som alla sina grannar. Det är tillståndet man får vid
låga temperaturer. Spontant väljer atomerna någon
riktning. Den kan vara upp eller den kan vara ner, men över ett stort
område står alla spins parallella.
Ising-modell
Om temperaturen höjs, finns det en chans att en atom får en
spinriktning som är motsatt sina grannar. Den chansen kan man
räkna ut med Boltmann-fördelningen. En modell där det bara
finns två möjligheter (t ex upp och ner) kallas
för en Ising modell ab ett kooperativt system. Lars Onsager bevisade
år 1943 för den 2-dimensionella fyrkanta Isingmodellen att det
finns en fasövergång vid en temperatur T = 2,269 J, där J
är växelverkans styrka.
Inlämningsuppgift:
Det är enkelt att göra datorsimuleringar på Ising-modellen.
Med en slumpgenerator ändrar man atomernas spin-riktning enligt
Boltzmannfördelningen vid en inställd temperatur. Det finns
ganska många exempel på nätet.
Uppgifter
Välj en Applet som fungerar på ditt system.
- Ställ temperaturen in någonstans i området kring 1,0
eller 1,5 J. Börja simuleringen med Init hot eller Init
warm och kör. Upprepa det några gånger. Beskriv i
några rad vad som händer. Hur många steg t tar det
innan magnetiseringen är stabil?
- Gör en skiss av hur magnetiseringens absoluta medelvärde
beror på temperatur.
- Vrid upp temperaturen till max (6 J). Hur stora är
fluktuationerna i magnetizeringen?
- Vad händer med fluktuationerna om du kylar ner till 3 J? Till 2,5
J? Till den kritiska temperaturen? Ser du liknelsen med t ex
börsindex?
- Ändrar magnetiseringen tecken om T = 2,1 J? Om T = 2,0 J? Vad
skulle svarat bli om modellen vore mycket större?
Hittils har vi inte haft med något magnetiskt fält. Men det kan
man också låta påverka en spintilltånds energi och
dess sannolikhet enligt Boltzmannfördelningen. Med Dean Townsley's 3-D
Ising applet kan man studera hur magnetiseringen påverkas av ett
magnetiskt fält.
- Ställ in en temperatur någonstans i närheten av Tc, och
skriv upp tiden det tar för att applet stannar (med kriterium
magnetisering = 0) för några olika värden av det
pålagda magnetiska fältet. Beskriv vilken påverkan
fältet har på den här magneten.