Vahetusvahekord
Mida mõistetakse vahetusvastastikmõju all?
Vahetusvastastikmõju stabiliseerib joondatud elementaarmagneteid, s.t aatomispinne, magnetilistes materjalides. Just seetõttu on elementaarmagnetite paralleelne joondus ferromagnetides nii stabiilne ja just seetõttu on magnetilised jõud eri magnetite vahel või ferromagnetse raua ja magneti vahel nii tugevad. Vahetusvastastikmõju füüsikaline põhjus on Pauli printsiip.Sisukord
Vahetusvastasmõju avaldub jõuna, mis toimib tahkes kehas elementaarmagnetite
ehk elektronide spinnide
vahel.
Vahetusvastasmõju on jõud, mida saab mõista üksnes kvantteooria abil, ja see põhineb Pauli printsiibil.
See ei ole otseselt seotud elektronide spinnide magnetilise momendiga
ega ole pelgalt jõud, mis tekib sellest, et üks elementaarmagnet materjalis avaldab naaber-elementaarmagnetile magnetilisi jõude.
Need magnetilised jõud oleksid liiga väikesed, et seletada tugevat vahetusvastasmõju ferromagnetites.
Pauli printsiipi järgivatel jõududel võib olla tohutu suurus.
Need jõud on isegi piisavalt tugevad, et stabiliseerida neutrontähti gravitatsioonikollapsi vastu.
Ainult supernoova – plahvatava tähe – jõud, mis jätab järele musta augu, suudab Pauli printsiibi jõududest üle olla.
Elektronid on niinimetatud fermionid.
Pauli printsiibi kohaselt ei saa nad asuda samas kohas, kui nad ei erine ühegi teise omaduse (näiteks spinnisuuna) poolest.
Seda ütleb Pauli printsiip elektronide kohta.
Vahetusvastasmõju tekkimine
Vahetusvastasmõju tekib nüüd sellest, et ferromagnetilises aines ei tohi erinevad elektronide spinnid erineda just nimelt spinnisuuna poolest. Põhjus on selles, et Pauli printsiibi määravad fermionide, s.t elektronide, sümmeetriaomadused, millel võib olla erinev tagajärg spinni suunale (kaks sama koha elektronit peavad omama vastassuunalist spinni, kaks elektroni ferromagnetilises materjalis ei tohi seevastu omada vastassuunalist spinni). Nii nagu Pauli printsiip ferromagnetis keelab naaberelektronide spinnide vastassuunalisuse, toimib elektronide vahel jõud, mis stabiliseerib spinnide paralleelse asendi. Seda jõudu nimetatakse vahetusvastasmõjuks (üksikasjad allpool).Vahetusvastasmõju tagajärjed
Järgnevalt käsitletakse esmalt vahetusvastasmõju tagajärgi.Elektroni spinn kannab magnetilist momenti.
Seda magnetilist momenti joondab väline magnetväli.
Kui tahkes kehas esineb üksikute aatomite juures paare moodustamata elektronispinne (nagu paramagnetites
ja ferromagnetites), siis tekib kogu tahke keha magnetiseeritus
kõigi aatomite magnetiliste momentide paralleelse joondumise tõttu, sest kõigi paaristamata elektronide spinnide panused summeeruvad paralleelse joondumise korral kogu tahke keha magnetiseerituseks.
Paramagnetites on joondunud elektronide spinnide vahetusvastasmõju palju väiksem kui osalevate elektronide soojusenergia ehk liikumisenergia.
Seetõttu ei püsi paramagnetilise materjali elektronide spinnid toatemperatuuril püsivalt joondatuna.
Paramagnetites kaob magnetiseeritus pärast välise magnetvälja väljalülitamist, sest joondunud elektronispinnide stabiliseerimine vahetusvastasmõju kaudu ei ole suurem kui elektronide soojusenergia.
Ferromagnetilistes materjalides seevastu püsib magnetiseeritus ka pärast välise magnetvälja väljalülitamist.
Järelikult on vahetusvastasmõju ferromagnetites suurem kui soojusenergia.
Magnetiseeritud ferromagnet ei demagnetiseeru iseenesest.
Ainult tugevad löögid, kõrged temperatuurid üle Curie temperatuuri
või ka vastassuunalise polaarsusega väline magnetväli, mille tugevus vastab koertsitiivväljale,
võivad ületada elektronide spinnide vahetusvastasmõju ja seeläbi magnetiseerituse.
Weiss’i domeenide nähtus
Huvitaval kombel ei magnetiseeru ferromagnet spontaanselt, vaid elektronide spinnid joondatakse materjalis kindlate piirkondade sees, kus elektronide spinnid on omavahel paralleelselt joondunud. Neid piirkondi nimetatakse Weiss’i domeenideks.
Pildil on elektronspiinide magnetilised hetked kujutatud väikeste nooltena.
Pikad nooled, mis ulatuvad pildi servadest väljapoole, tähistavad kogu materjalis tekkivat magnetilist vootihedust ehk magnetvälja.
Sel juhul räägitakse makroskoopilisest vootihedusest.
Ilma välise magnetväljata on paramagnetilise materjali spiinid juhusliku suunaga (vasakpoolne pilt).
Kogu magnetiseeritus on null.
Väline magnetväli põhjustab spiinide joondumise, s.t toimub magnetiseerumine (teiselt vasak pilt).
Ferromagnetites on spiinid suurtes piirkondades täielikult paralleelselt joondunud ning osa magnetiseeritusest püsib tänu vahetusvastastikmõjule alles ka pärast välja väljalülitamist (teiselt parem pilt).
Démagnetiseerumisprotsessid avalduvad selles, et spiinid hakkavad sassi minema, kuni üksikute spiinide panused teineteist kompenseerivad.
Sellegipoolest jäävad spiinid suurtes piirkondades (s.t Weiss’i domeenides) paralleelselt joondunuks (kaugeim parempoolne pilt).
Sageli muutub kõigi elektronspiinide joondus ühes Weiss’i domeenis kollektiivselt.
Weißi domeenide nähtust, mis tekib vahetusvahetoime tõttu, saab illustreerida makroskoopilise mudeliga.
Selleks vaadeldakse plaadil pöörlevalt kinnitatud kompassinõelte komplekti, mis üksteist vastastikku mõjutavad.
See mudel vastab ka ülaltoodud kujutisele.
Katses saab kõik kompassinõelad joondada välise magnetväljaga.
Temperatuuri mõjul (kompassinõelte liikumine) või mehaanilise välismõju tõttu (löögid plaadile) võib juhtuda, et terved kompassinõelte rühmad muudavad oma suunda.
Sellise rühma sees jäävad kompassinõelad siiski sageli paralleelselt joondunuks.
Sellist kollektiivset käitumist saab elektronspinnide puhul otseselt jälgida.
Tegemist on tõepoolest terve elektroniegrupi elektronspinnide joondumise hüpetega.
Elektronspinnide puhul räägitakse Barkhauseni hüpetest.
Sellise paralleelselt joondunud rühma piirkonda nimetatakse Weißi domeeniks.
Nende kollektiivse liikumise põhjus on vastastikune vahetoime, vahetusvahetoime.
Energeetiliselt on soodsam, kui terve elektronspinnide rühm muudab samaaegselt suunda, kui et iga üksik elektronspinn teeks seda eraldi.
Katses saab Barkhauseni hüppeid ferromagnetides kuuldavaks teha.
Seda saab teha võimendi ja valjuhääldi abil.
Barkhauseni hüpped avalduvad siis valjuhääldis kui "krõpsud", sest Barkhauseni hüppe ajal muutub pinnal magnetväli pisut ja indutseerib lühikese voolupulsi (vt peatükk Barkhauseni hüpe).
Ferromagnetiline tolm joondub Weiss'i piirkondade piiridel
Ka Weiss’i domeene saab otseselt vaadelda.
Katses võib magnetiseeritud materjalile puistata peent ferromagnetilist tolmu.
See koguneb eeskätt erinevate Weiss’i domeenide vahelistel piiridel ja moodustab sinna tumedad jooned (vt parempoolset joonist).
Kui Weiss’i domeenid nihkuvad, on näha nende piiride nihkumist (Barkhauseni hüpe).
Esmapilgul ei tundu üllatav, et naaber-elektronide spinnid vastastikku mõjutavad, sest elektronide spinnide magnetmomendid mõjutavad üksteist ning seega võiks eeldada, et ühe elektroni spinnist tulenev magnetväli mõjutab naaber-elektroni spinnist tulenevat magnetvälja.
Nii on see kompassinõelte mudelis.
Siiski saab näidata, et see magnetiline jõud on liiga väike, et seletada ferromagneetides elektronide spinnide tugevat stabiliseerumist soojusliikumise vastu.
Mitte magnetilised jõud, vaid vahetusvastastikmõju stabiliseerib elektronide spinnide paralleelse orientatsiooni.
Pauli printsiibi tähendus vahetusvastastikmõjule
Nagu öeldud, põhineb vahetusvastastikmõju Pauli printsiibil. Pauli printsiibil on väga fundamentaalne tähendus. See tugineb sümmeetria kaalutlustele. Täpsemalt tuleb Pauli printsiipi mõista nii, et kristallkehas peavad naaber-elektronide lainefunktsioonid olema teineteise suhtes antisümmeetrilised. See tähendab, et elektronid tohivad erineda täpselt ühes või kolmes omaduses (kui kõik muud omadused on „sümmeetrilised“), kuid mitte kahes omaduses. Kahe antisümmeetrilise lainefunktsiooni korrutis oleks muidu taas sümmeetriline.Täpselt võttes peab funktsioonide arv, mis on antisümmeetrilised, olema paaritu, kui kõik muud funktsioonid, mis kirjeldavad osakeste omadusi, on sümmeetrilised.
Naaber-elektronite puhul kristallkehas on tegemist elektronidega, mille asukohta kirjeldav lainefunktsioon on antisümmeetriline.
Kõik teised funktsioonid on sümmeetrilised.
Seda võib ette kujutada nii, et elektronid erinevad oma asukoha poolest, kuid mitte ühegi muu suuruse poolest.
Seetõttu peab ka spinni kirjeldav lainefunktsioon olema sümmeetriline.
Niisiis ei tohi elektronid ferromagneedis spinnide poolest erineda.
Samal põhjusel, miks elektronid ei või aatomi sees samas kohas omada ka sama spinni, ei tohi naaber-aatomite elektronid ferromagnetilises tahkes kehas omada erinevat spinni.
Seepärast stabiliseeruvad ferromagneedis elektronspinnid üksteise suhtes Pauli printsiibi tõttu.
Üksik elektroni spinn ei saa lihtsalt ümber pöörduda.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
