3.3 poissonova enaČba - laboratory of...

34
58 3.3 POISSONOVA ENAČBA 3.3.1 SPLOŠNO * Gaussov zakon o električnem pretoku: integralna oblika: diferencialna oblika: d d e D S V e D (3.3.1) , , x y z Zveza med E in : E (3.3.2) Iz enačb (3.3.1), (3.3.2) in 0 D E sledi: 0 0 , e D E oziroma: 2 0 e , (3.3.3) kjer smo upoštevali: 2 2 2 2 2 2 2 x y z (3.3.4) Enačbo (3.3.3) imenujemo Poissonova enačba. 3.3.2 1-D PRIMER x x x + dx dx S S D

Upload: vudiep

Post on 05-Feb-2018

226 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

58

3.3 POISSONOVA ENAČBA

3.3.1 SPLOŠNO

*

Gaussov zakon o električnem pretoku:

integralna oblika:

diferencialna oblika:

d deD S V

eD (3.3.1)

, ,x y z

Zveza med E in :

E (3.3.2)

Iz enačb (3.3.1), (3.3.2) in 0D E sledi:

0 0 ,eD E

oziroma:

2

0

e

, (3.3.3)

kjer smo upoštevali:

2 2 2

2

2 2 2x y z

(3.3.4)

Enačbo (3.3.3) imenujemo Poissonova enačba.

3.3.2 1-D PRIMER

x

x x + dx

dx

S S

D

Page 2: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

59

d d ,Gaussov zakon

dx,

e

e

D S V

D x dx S D x S S

d dx ,eD

d,

dxe

D

0

d

dxe

E

. (3.3.5)

V enačbo (3.3.5) vstavimo zvezo:

d

dE

x

(3.3.6)

in dobimo Poissonovo enačbo v eni dimenziji:

0

d d,

d d

e

x x

(3.3.7)

oziroma:

2

2

0

e xd

dx

. (3.3.8)

3.3.3 PRIMER:

Reševanje Poissonove enačbe v območju s konstantno volumsko gostoto naboja

konst.e

Rešujemo enačbo (3.3.8) v območju od x = 0 do x = l, kjer :e

2

2

0

ed

dx

, kjer smo upoštevali konst.e (3.3.9)

Enačbo (3.3.8) integriramo in dobimo:

0

d

d

e xE x B

x

(3.3.10a)

Page 3: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

60

Integracija enačbe (3.3.10a) pa da:

2

0

02

e xx Bx

, (3.3.10b)

kjer sta B in 0 konstanti.

o Kakšna je vrednost konstante B?

Zaradi simetrije je sila na točkasti naboj pri 2

lx enaka nič, torej je 0

2

lE x

:

0

02 2

e llE x B

0

.2

e lB

(3.3.11)

Torej:

2

0

0 02 2

e ex l xx

, (3.3.12)

0 02

e ex lE x

. (3.3.13)

o maksimum funkcije x je pri d

0d

Ex

, to je pri

2

lx kot smo že prej

predpostavili (enačba (3.3.11)).

o če izberemo 0 0 :

o če bi hoteli poznati x in E x še za x < 0 in x > l , bi morali rešiti Poissonovo enačbo

še v teh dveh območjih, kjer je 0 . Pri tem bi morali upoštevati še ustrezne robne

pogoje za E in pri x = 0 in x = l.

x

x E x

x = 0 x = l

Page 4: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

61

3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST

V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno razsežno ravno ploščo, ki je na površini enakomerno

nabita. Površinska gostota naboja plošče je negativna 0 . Ta plošča je v stiku z

elektrolitsko raztopino, v kateri so pozitivni in negativni ioni. V okviru modela

predpostavimo, da so ioni točkasti nosilci naboja.

Ker je površina plošče negativno nabita, privlači pozitivne ione in odbija negativne. Zato je v

bližini plošče več pozitivnih ionov kot negativnih. Prostorninska gostota naboja v raztopini se

spreminja v smeri, ki je pravokotna na ravnino x = 0.

0 ,i i

i

x e n x (3.4.1)

kjer je i valenca ionov i-te vrste, 0e osnovni naboj in in (x) številska gostota ionov i-te vrste.

V našem primeru imamo v raztopini samo dve vrsti enovalentnih ionov (i = +,-), za katere

velja:

1, 1. (3.4.2)

Slika 3.4.1. Električna dvojna plast (elektrolitska raztopina v stiku z negativno nabito ploščo).

Predpostavimo, da je celotni naboj v raztopini na enoto površine enak nič:

0

0 .x dx

(3.4.3)

Prebitek pozitivnega naboja v raztopini (t.j. prebitek pozitivnih ionov) uravnovesi negativni

naboj na površini plošče.

Na lego ionov v raztopini vpliva elektrostatično polje, katerega potencial označimo s .x

Daleč od plošče ne deluje na posamezen ion v raztopini v povprečju nobena sila, torej je tam

električni potencial konstanten. Dogovorimo se, da je

0 .x (3.4.4)

x

+_

__________

_

________

++

++

++

+++

+++ +

+ +

_+

++

+

+

+

+

_

+

+

++

+ +

+

+__ _

__

_

_

+ +

++

+++

_

+

+ ++

+ ++_

+

++_

+

+

++ +

++

++

++

++

++

+

__

__

_

_

ravnina x = 0

0

Page 5: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

62

Predpostavimo, da je sistem v termodinamskem ravnovesju, tako da za ione v raztopini velja

Boltzmannova porazdelitev:

0

exp ,e x

n x nkT

(3.4.5)

0

exp ,e x

n x nkT

(3.4.6)

kjer je k Boltzmannova konstanta in T absolutna temperatura.

Predpostavimo, da je daleč stran od negativno nabite plošče elektrolitska raztopina električno

nevtralna. V našem primeru mora biti zaradi (3.4.2) in (3.4.4) zato izpolnjeno

.n n n (3.4.7)

Da določimo krajevno odvisnost električnega potenciala x zapišemo Poissonovo enačbo.

V našem primeru imamo ravno geometrijo, zato velja:

.

d

d

0

2

2

x

x

(3.4.8)

kjer je dielektričnost raztopine, 0 pa influenčna konstanta.

Ko upoštevamo (3.4.8), (3.4.1), (3.4.5) in (3.4.6) dobimo

2

0 0

2

0

2dsh .

d

n e e

x kT

(3.4.9)

Če je potencialna energija xe 0 veliko manjša od termične kT, lahko desno stran enačbe

(3.4.9) razvijemo v vrsto. Pri tem upoštevamo samo prvi člen v razvoju. Enačba (3.4.9) preide

v

2

2

2

d,

dx

(3.4.10)

kjer je 2

2 0

0

2ne

k T

. Rešitev enačbe (3.4.10), ki ustreza robnemu pogoju (3.4.4) je:

,exp0 xx

kjer je 0 vrednost električnega potenciala v ravnini x = 0.

Page 6: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

63

Električno dvojno plast sestavljata torej negativni naboj v ravnini x = 0 in pozitivna plast

naboja ionov, ki se razširja v raztopino. Na razdalji

1, ki ji pravimo efektivna debelina

električne dvojne plasti, pade električni potencial za faktor e.

Slika 3.4.2. Številska gostota ionov v odvisnosti od x.

Tabela: Odvisnost 1

od n pri T = 298 K.

*

A

n mol

N l

101

10 m

0.5 4.30

0.2 6.80

0.1 9.62

0.05 13.6

0.02 21.5

0.01 30.4

0.005 43.0

0.002 68.0

0.001 96.2

* NA je Avogadrovo število

Robni pogoj:

Gaussov zakon o električnem pretoku 0E za 0x 0 0

d

d xx

x

n(x)

n

n

Page 7: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

64

3.5 ENERGIJA ELEKTRIČNEGA POLJA*

Vsota dvodelčnih energij za sistem nabojev :

i

i

i

i

i

j ij

j

ji ij

ji

e eer

e

r

eeW

2

1

42

1

42

1

00

i

j ij

j

r

e

04 električni potencial na mestu naboja ie

Če vpeljemo volumsko gostoto naboja: V

e

d

d lahko zapišemo

energijo električnega polja v obliki:

VrrWe d2

1 (3.5.1)

Ob upoštevanju Poissonove enačbe:

0

2

iz enačbe (3.5.1) sledi:

VWe d2

20 (3.5.2)

Ob upoštevanju Greenovega teorema:

2

2 romaoz, i (3.5.3)

iz enačbe (3.5.2) sledi:

VVWe d2

d2

00

(3.5.4)

Poglejmo si sedaj prvi člen v enačbi (3.5.4), ki ga ob upoštevanju Gauss-ovega teorema

zapišemo v obliki:

d d

V A

V n A (3.5.5)

kjer je AnA dd

. Desno stran enačbe (3.5.5) lahko zapišemo tudi kot

Page 8: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

65

,dd An

AnAA

torej

VAn

WVA

e d2

d2

200

(3.5.6)

Če je naboj lokaliziran je .0 r

Če izberemo poljubno površino za integracijo v prvem členu v enačbi (3.5.6) pri zelo velikih

r

, kjer je ,0 velja

,0d2

0

A

nA

(3.5.7)

r

Torej preide enačba (3.5.6) v:

.d2

1d

2

1 2

0 VEDVWV

e

(3.5.8)

Page 9: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

66

3.6 SILA NA DIELEKTRIK

= dielektrična konstanta

o Ko “vstavimo” dielektrik med plošči izoliranega kondenzatorja (do globine x) se

naboj na ploščah ne spremeni, torej velja:

0000 Ud

SUCe konstanta za vse x,

kjer d

SC 00 kapaciteta pri x = 0 in 0U napetost med ploščama pri x = 0.

o Pri 0x sistem obravnavamo kot dva vzporedno vezana kondenzatorja

0

2

1

2

1

00

2

0

2

0

2

xWxW

d

xla

d

ax

UC

C

exW

o Sila na dielektrik sila med nabojem na ploščah in dipoli v dielektriku

22 00 2

d 11

d 2 d 1

W x alF U

x x l

a

d kondenzator

x

l

Page 10: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

67

3.7 SILA NA TOČKASTI NABOJ V BLIŽINI MEJE DVEH

DIELEKTRIKOV

q = točkast naboj

r

dcos

MODEL:

Predpostaviš, da tudi na desni strani 1 , razliko v ih pa upoštevaš s površinskim

nabojem desnega področja ( p )

Vrednosti polja na stični ploskvi:

1 2

0 1 0 1

1

4 2

pq dE

r r

(v sredstvu 1) (3.7.1)

1 2

q

r

d

1 2

1

q

r

d

1

1E

2E

p

++

++

+

+

++

+

Page 11: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

68

2 2

0 1 0 1

1

4 2

pq dE

r r

(v sredstvu 2) (3.7.2)

Robni pogoj (sledi iz Gaussov-ega zakona o električnem pretoku):

0dd 2211 AEAE (3.7.3)

Iz enačbe (3.7.3) sledi:

02211 EE (3.7.4)

V enačbo (3.7.4) vstavimo vrednosti 1E in 2E iz enačb (3.7.1) in (3.7.2), ter iz nastale

enačbe izračunamo velikost .p Potem pa izračunamo še Ep:

1 2

2

0 1 1 2 0 1

1.

2 4

p

p

q dE

r r

(3.7.5)

Enačbo (3.7.5) lahko zapišemo v obliki:

,1

4

'2

10 r

d

r

qE p

(3.7.6)

kjer je

.'21

21 qq

(3.7.7)

Prispevek k električnemu polju na levi strani meje zaradi 21 izgleda torej kot električno

polje točkastega naboja q' na desni strani meje:

12

d A

Page 12: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

69

Tako lahko zapišemo silo med nabojem q na levi strani v mediju 1 in nabojem

qq21

21'

na desni strani v mediju 1 na razdalji 2d v obliki:

.

44

1

2

1

4

'2

2

21

21

10

2

10 d

q

d

qqF

(3.7.8)

Zaključek: sila na točkasti naboj q v mediju 1 je:

.44

12

2

21

21

10 d

qF

1. če 021 F (odbojna sila stran od mejne ploskve)

2. če 021 F (privlačna sila proti mejni ploskve)

Page 13: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

70

3.8 INFLUENCA

Opomba: površina prevodnika postane ekvipotencialna ploskev

o Neposredna meritev gostote električnega polja

Izmerimo influenciran naboj (e) na ploščah, ki jih razmaknemo:

Nabojema +e in –e pravimo influencirana (ali inducirana) naboja.

Potem izračunamo gostoto električnega polja e

DS

.

kovinska krogla

+

+

++

+

+

++++

--

-

--

--

--

-

PRVOTNO

ELEKTRIČNO

POLJE

ELEKTRIČNO

POLJE NABOJA

NA POVRŠINIPREVODNIKA

CELOTNO POLJE JE

VSOTA OBEH POLJ

Page 14: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

71

4. Snov v magnetnem polju

4.1 NAVOR NA TOKOVNO ZANKO

4.1.1 ZANKA V OBLIKI PRAVOKOTNIKA

Tloris:

B

o Navor BlIFFrM

,

Stranski pogled:

B

gostota magnetnega polja

BbIF

BbIF

2

1

Page 15: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

72

sinsin22

sin2

sin2

sin2

2121 BbaIBbIa

FFaa

Fa

FM

Sab (površina tokovne zanke)

sinBSIM

če SIpm

( mp

magnetni dipolni moment tokovne zanke)

BpM m

4.1.2 POLJUBNA OBLIKA ZANKE (posplošitev):

Po pikčastih črtah gre tok enkrat gor, drugič dol, tako, da je vsota nič.

Zato velja: sin sinmM I S B p B v splošnem za poljubno obliko zanke.

o Več zank druga na drugi:

SINpm

, N število zank (na primer v ploščati tuljavi)

4.1.3 PODOBNOST med magnetnim poljem paličastega permanentnega magneta in

magnetnim poljem tokovne zanke

permanentni magnet tokovna zanka

sliki: Serway, 1992

mpI

mp

Page 16: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

73

o smer :mp

slika: Serway, 1992

4.1.4 NIHANJE MAGNETNICE V ZEMELJSKEM MAGNETNEM

POLJU

Silnice zemeljskega magnetnega polja (Serway, 1992)

mp

smer magnetnega momenta

smer električnega toka

tokovna

zanka

geografski

ekvator

južni magnetni

pol

severni geografski

pol

severni magnetni pol

južni geografski pol

Page 17: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

74

Enačba vrtenja:

JM (4.1.1)

J = vztrajnostni moment

sinBpM m navor

2

2

d

d

t

kotni pospešek

torej:

.d

dsin

2

2

tJBpm

Če so odmiki majhni :1 sin :

2

2

d

d

tJBpm

, oziroma

2

2

d

d

tJ

Bpm

. (4.1.2)

Rešitev enačbe (4.1.2) je:

t

t0

0

2sin , .

2sin

2

d

d

0

2

0

02

2

t

ttt (4.1.3)

Izraza (4.1.3) vstavimo v enačbo (4.1.2) in dobimo:

N

S

B

mp

Page 18: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

75

,2

2

0 J

Bp

t

m

(4.1.4)

torej:

Bp

Jt

m

20

nihajni čas magnetne igle

(4.1.5)

4.1.5 ENERGIJA MAGNETNICE V ZUNANJEM MAGNETNEM POLJU

,coscosdsind 12

2

1

2

1

mmmm WBpBpBpMA

kjer

BpBpW mmm

cos

BpW mm :0 (energijski minimum) :

BpW mm : (energijski maximum):

mp B

mp B

stabilni zasuk magnetne igle

labilni zasuk mW

Bpm

Bpm

2

2

Page 19: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

76

4.2 KLASIČNI MODEL DIAMAGNETIZMA

4.2.1 MODEL

o snov damo v magnetno polje gostote 0B

o na »inducirano« gibanje elektrona v atomu (v skladu z Lenzovim pravilom) gledamo

kot na majhno tokovno zanko

o 2rA (površina zanke)

o vrtilna količina: vrme

o

v našem primeru: vrme

o em masa elektrona

o v

hitrost elektrona

o 0e osnovni naboj

0

0

0 , tt

eI obhodni čas elektrona

o Vektorja mp

in

kažeta v nasprotno smer (glejte sliko):

e

mm

ep

2

0

o Kroženje elektrona v magnetnem polju

Newtonov zakon: 00

2

Bver

vmam ere ; ar radialni pospešek

0

2

000 BrevrmBrevm ee

e

mm

er

r

veAIp

r

ve

r

ve

t

eI

22

22

020

00

0

0

r

I 0B

0e

v

mp

Page 20: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

77

torej: H222

0

22

0

0

2

0

00 eee

mm

reBre

m

e

m

ep

o Magnetizacija

kjer je V

Nn število atomov na enoto volumna.

o Če ima en atom Z elektronov in je 2r povprečna vrednost kvadratov polmerov

tirov vseh elektronov, velja:

.2

0

22

0H

m

ZrenM

e

Od tod pa sledi izraz za

susceptibilnost : em

reZn

2

22

0

0

, torej .0

o Primer:

če je: n = 1029

m-3

Z = 10

2202 10 mr

sledi: 510

o Zaključek:

Inducirani magnetni moment atoma mp

kaže v nasprotni smeri kot zunanje

magnetno polje 0B

.

DIAMAGNETIZEM je lastnost vseh snovi, vendar so inducirani magnetni

momenti mp opazni samo v snoveh, ki imajo »trajni« magnetni dipolni

moment enak nič, t.j. v snoveh, ki niso paramagnetne ali feromagnetne.

4.2.2. DODATEK:

Izpeljava zveze ,00 MpnB mm

kjer je mpnM , za posebni primer 1-D kristala:

l dolžina 1-D kristala

S površina tokovne zanke v enem atomu

N število atomov (število tokovnih zank) v 1-D kristalu

H2

0

22

0 e

mm

renpnM

,

Page 21: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

78

Iz Amperovega zakona INsBm 0d

izračunamo magnetno polje v kristalu l

INBm 0 .

Torej:

,00000 MpnpV

NIS

Sl

N

l

INB mmm

kjer smo definirali magnetizacijo M kot:

mM n p

magnetni moment atoma SIpm , lSV volumen kristala

V

Nn (volumska gostota atomov)

Zaključek:

0 0m mB n p M

tokovna zanka v atomu

l

SI mp

Page 22: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

79

4.3 KLASIČNI MODEL PARAMAGNETIZMA*

Če damo paramagnetno snov v zunanje magnetno polje gostote B0, se zaradi orientacije mag.

dipolnih momentov atomov (molekul) v smeri zunanjega magnetnega polja celotno magnetno

polje (B) poveča:

B = B0 + Bm , (4.3.1)

kjer je Bm prispevek snovi.

Vzrok: energija atoma z magnetnim momentom mp , ki je zasukan za kot glede na smer

magnetnega polja 0B :

0 0 cosm m mW p B p B (4.3.2)

je najmanjša, če je mag. moment p

m usmerjen v smeri magnetnega polja. Takrat je namreč kot

0 , energija Wm pa je zato najmanjša možna. Zaradi termične energije atomov (molekul)

seveda pri končnih temperaturah povprečna vrednost kota ni nič.

Magnetno polje Bm je sorazmerno povprečni vrednosti komponente magnetnega momenta

enega atoma (molekule) v smeri zunanjega magnetnega polja:

0 ,m m zB n p , (4.3.3)

kjer je n = N/V število atomov na enoto volumna snovi. Definirajmo magnetizacijo M kot:

,m zM n p . (4.3.4)

Enačba (4.3.3) tako preide v:

0mB M . (4.3.5)

Za paramagnetne snovi je magnetizacija M sorazmerna jakosti magnetnega polja, kar bomo v

nadaljevanju tudi dokazali. Sorazmernostni koeficient χ uvedemo kot susceptibilnost

(M = χH). Upoštevamo še B0 = µ0H in dobimo (glejte enačbo ( 4.3.1)):

0B

mp, cosm z mp p

Page 23: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

80

B = µ0H + µ0 χ H = µ0 µ H, (4.3.6)

kjer smo definirali µ = 1+ χ kot permeabilnost in upoštevali Bm = µ0χ H.

V nadaljevanju poiščemo izraz za susceptibilnost χ paramagnetne snovi. Najprej upoštevamo,

da je , cosm z mp p (glejte še sliko), kjer je kot med vektorjem pm

in komponento vektorja

pm

v smeri magnetnega polja (pm,z) (t.j. kot med vektorjem B0 in vektorjem pm

). Enačbo

(4.3.4) lahko tako zapišemo v obliki:

cosmM n p . (4.3.7)

Sedaj poiščemo povprečno vrednost kosinusa kota cos , ki ni enak ena zaradi

termičnih fluktuacij. Pri tem upoštevamo, da je energija atoma z magnetnim momentom pm,

ki je zasukan za kot glede na smer magnetnega polja B0 enaka:

0 0 cosm m mW p B p B (4.3.8)

Izračunajmo povprečno vrednost kosinusa kota , to je cos :

cos dcos

d

m

m

W

W

e

e

, (4.3.9)

kjer je faktor mWe

verjetnost (Boltzmannov faktor), da je atom (molekula) v stanju z

zasukom (glejte še sliko). Pomen ostalih simbolov in konstant pa je naslednji; β = 1/kT, k

je Boltzmannova konstanta, T pa absolutna temperatura.

Izraz 2d d sin d dS r označuje infinitezimalni element prostorskega kota v sferičnih

koordinatah:

2

0 0

2

0 0

cos sin d d

cos

sin d d

m

m

W

W

e

e

, (4.3.10)

Ker energija Wm ni odvisna od kota lahko v zgornji enačbi izvedemo integral po -ju.

Tako dobimo:

0

0

2 cos sin d

cos

2 sin d

m

m

W

W

e

e

. (4.3.11)

V nadaljevanju uvedemo novo spremenljivko coss ter oznako 0 0 :m mx p B kT p B

Page 24: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

81

1

1

1

1

d1

cos coth ,

d

xs

xs

se s

x L xx

e s

(4.3.12)

kjer je L(x) Langevinova funkcija. Funkcijo cothx razvijemo v vrsto

0 x in zadržimo samo prva dva člena:

31

coth ..... ,3 45

x xx

x (4.3.13)

torej

01 1 1cos coth

3 3 3

mp Bx xx

x x x kT (4.3.14)

in

2 2

0 0cos .3 3

m mm

n p B n pM n p H H

kT kT

(4.3.15)

Končno smo tako dobili aproksimativni izraz za susceptibilnost paramagnetne snovi v obliki:

2

0 .3

mn p

kT

(4.3.16)

Vidimo, da je v našem približku susceptibilnost χ obratno sorazmerna z absolutno

temperaturo T.

Page 25: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

82

4.4 FEROMAGNETIZEM

Spontana magnetizacija znotraj domen (tudi brez zunanjega magnetnega polja)

M

TCT

TC Curiejeva temperatura

Curie-jeva temperatura za nekaj

feromagnetnih snovi

snov KCT

železo 1043

kobalt 1394

nikelj 631

gadolinij 317

2 3Fe O 893

Če je CTT feromagnetne snovi izgubijo spontano magnetizacijo in postanejo paramagneti.

Za CTT za feromagnete velja Curie – Weissov zakon:

CTT

C

susceptibilnost

povprečna susceptibilnost feromagneta

TCT

FEROMAGNETNE

LASTNOSTI

PARAMAGNETNE

LASTNOSTI

CTT

C

Page 26: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

83

Nemagnetno stanje snovi

Domene so usmerjene naključno

Ureditev domen v zunanjem magnetnem

polju 0B

, ni konstanta.

povprečna permeabilnost

sliki: Serway, 1992

Isingov model feromagnetizma

Isingov model, ki se uporablja predvsem za opis feromagnetizma, se imenuje po fiziku Ernstu

Isingu, ki se je rodil v Nemčiji leta 1900 in umrl v ZDA leta 1998. Isingov model je osnova

nekaterih statistično-mehanskih teoretičnih modelov, ki se uporabljajo za opis

feromagnetizma. Med feromagnete uvrščamo železo, kobalt, nikelj, magnetit (Fe3O4) in

druge.

Na kratko ponovimo kar smo se naučili v prejšnjem poglavju. K celotnemu magnetnemu

polju v snovi Btot prispeva zunanje magnetno polje (B) in magnetno polje atomov (molekul) v

snovi (Bm): Btot = B + Bm. Magnetno polje v snovi Bm je sorazmerno magnetizaciji:

0mB M , ki je definirana kot mM n p , kjer je mp povprečna vrednost komponentne

magnetnega dipolnega momenta molekule v smeri magnetnega polja, n = N/V število

molekul na enoto volumna in μ0 indukcijska konstanta. Magnetizacija je sorazmerna jakosti

magnetnega polja H: M H , kjer je susceptibilnost:

0 0 0 0 01tot mB B B B H H H H H , (4.4.1)

kjer je 1 permeabilnost.

V nadaljevanju obravnavamo 2-dimenzionalni Isingov model feromagnetizma v okviru

mrežnega modela, ki je shematsko prikazan na sliki 1. Prosto energijo F modelnega sistema,

ki je prikazan na sliki 1, zapišemo v obliki:

F = E − T S , (4.4.2)

kjer je E notranja energija energija sistema, ki zajema povprečno energijo lastnih in

medsebojnih interakcijskih energij vseh molekul v sistemu, S je entropija sistema, T pa

DOMENA

atomov1010 2119

00 B

0B

Page 27: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

84

absolutna temperatura merjena v stopinjah Kelvina. Najprej bomo izračunali entropijo sistema

(S), ki nastopa v enačbi (4.4.2). V našem primeru 2-dimenzionalnega Isingovega modela

feromagnetizma obravnavamo N molekul v 2-dimenzionalni mreži z N mesti. Posamezna

molekula je lahko v dveh stanjih glede na usmeritev njenega magnetnega dipolnega momenta,

ki lahko kaže samo gor (+) (v smeri magnetnega polja) ali dol (−) (glejte še sliko 1).

Izračunajmo konfiguracijsko entropijo sistema. Število možnih prostorskih razporeditev za

prvo molekulo, ki jo postavimo v prazno 2-dimenzionalno mrežo z N mesti je N, za drugo

molekulo (N − 1), za tretjo molekulo (N − 2) in tako naprej. Vseh možnih razporeditev je tako

N(N−1)(N−2) . . 3 2 1 = N!. Pri tem smo upoštevali, da so vse molekule med seboj

razločljive. V resnici pa molekul, ki imajo magnetni dipolni momemnt obrnjen navzgor

(označimo njihovo število z N+) med seboj ne moremo razločevati. Prav tako ne moremo

razločevati med molekulami, ki imajo magnetne dipolne momente.

Slika 1: Prikaz magnetnih dipolnih momentov molekul v Isingovem modelu, ki so razporejeni

v kvadratno 2-dimenzionalno mrežo in imajo lahko samo dve orientaciji (↑ in ↓) .

Obrnjene navzdol (označimo njihovo število z N−). Tako, da celotno število možnih

razporeditev N molekul na N mrežnih mest ni N! pač pa W:

!

! !

NW

N N

. (4.4.3)

Za sistem, ki je v termičnem ravnovesju zapišemo konfguracijsko entropijo v

2-dimenzionalnem Isingovem mrežnem modelu kot (glejte še učbenik Mehanika in

termodinamika ) :

!

ln ln ln ! ln ! ln !! !

NS k W k k N N N

N N

, (4.4.4)

kjer predpostavimo samo dve možni orientaciji magnetnih dipolnih momemntov (↑ in ↓)

posamezne molekule v sistemu. Pri računanju konfiguracijske entropije (S) privzamemo, da je

verjetnost za orientacijo posameznega spina neodvisna od orientacij sosednjih spinov.

Za velike N-je uporabimo Stirling-ovo aproksimacijo: lnN! ≈ N lnN − N, ter tako iz enačbe

(4.4.4) dobimo sledeče:

Page 28: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

85

ln 1 ln 1 ln 1

ln ln ln

ln ln ln ln ,

S k N N N N N N

k N N N N N N N

k N N N N N N N N

(4.4.5)

oziroma:

ln ln ln ln ln lnN N N NN N

S k N N kN kN c c c cN N N N N N

, (4.4.6)

kjer je N

cN

verjetnost, da je magnetni dipolni moment molekule obrnjen navzgor,

Nc

N

pa verjetnost, da je obrnjen navzdol. Od tod sledi:

1c c , (4.4.7)

kjer smo upoštevali N N N .

V nadaljevanju izpeljemo izraz za energijo sistema, ki jo sestavlja vsota lastnih energij

magnetnih dipolnih momentov molekul (2. člen) ter njihove medsebojne interakcijske

energije (1. člen) :

,

ik i k m i

i k i

E J p B , (4.4.8)

kjer je pm velikost magnetnega dipolnega momenta ene molekule, B gostota magetnega polja,

Jik moč interakcijske energije (t.j. moč sklopitve) med i-tim in k-tim sosednjim magnetnim

dipolom (pri čemer upoštevamo samo najbližje sosede), spremenljivka i določa orientacijo

posameznega magnetnega dipola (↑ pomeni usmeritev v smeri magnetnega polja (

), ↓ pa

usmeritev v nasprotni smeri (

)). Poljubno orientacijo magnetnih dipolnih momentov

atomov (molekul) smo torej tako kot že prej pri izpeljavi entropije sistema nadomestili z

dvema orientacijama (↑ in ↓, glejte sliko 1). Pravimo, da obravnavamo orientacijo

magnetnega dipolnega momenta molekule v okviru 2-stanjskega modela.

V prvem členu v enačbi (4.4.8), to je v izrazu za interakcijsko energijo magnetnih dipolnih

momentov molekul v sistemu upoštevamo le interakcijske energije najbližjih sosedov, kjer

upoštevamo Jik = J. Tako lahko prvi člen v enačbi (4.4.8) zapišemo v obliki:

,

i k

i k

J . (4.4.9)

Energijo sklopitve magnetnih dipolnih momentov ,

i k

i k

J zapišemo v dveh korakih.

Najprej izračunamo povprečno energijo magnetnih dipolov, ki so usmerjeni navzgor (↑):

Page 29: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

86

sosedJ N c z , (4.4.10)

kjer je Nc+ povprečno število magnetnih dipolov v sistemu, ki so usmerjeni navzgor (↑), N

število vseh magnetnih dipolov v sistemu, sosed pa povprečna vrednost najbližjih sosedov,

ki jih je z:

sosed c c . (4.4.11)

Kombinacija enačb (4.4.10) in (4.4.11) nam da:

sosedJ N c z J N c c c z , (4.4.12)

kjer smo upoštevali 1 . Podobno izračunamo še povprečno energijo magnetnih dipolov v

sistemu, ki so usmerjeni navzdol (↓):

sosed 1J N c z J N c c c z J N c c c z , (4.4.13)

kjer smo upoštevali 1 . Povprečno interakcijsko energijo vseh magnetnih dipolov v

sistemu dobimo tako, da seštejemo enačbi (4.4.12) in (4.4.13) (↑ in ↓):

,

12

2i k

i k

J z N J c c c c c c , (4.4.14)

kjer je faktor 1/2 dodan zato, ker smo vse interakcije šteli dvakrat (pri ↑ in ↓). Število

najbližnjih sosedov (z) okoli izbranega atoma je v našem primeru 2-dimenzionalne mreže

enako 4 (glejte sliko 1), v 1-dimenzionalnem modelu je z = 2, v 3-dimenzionalnem mrežnem

modelu pa je z = 6. Drugi člen iz enačbe (4.4.8), to je m i

i

p B , ki opisuje energijo

magnetnih dipolov v povprečnem magnetnem polju B izrazimo kot:

m i m

i

p B p B N c c . (4.4.15)

Celotno povprečno energijo sistema E (glejte enačbe (4.4.8), (4.4.14) in (4.4.15)) lahko tako

zapišemo v obliki:

2 212

2mE z N J c c c c p BN c c

. (4.4.16)

Vpeljemo novo spremenljivko x = c+ − c− in upoštevamo enačbo (4.4.7), od koder sledi:

1

12

c x , (4.4.17)

1

12

c x . (4.4.18)

Page 30: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

87

Ob upoštevanju izrazov (4.4.17) in (4.4.18) lahko zapišemo izraz za energijo E (en.(4.4.16)) v

obliki:

21

2mE N z Jx p Bx

,

(4.4.19)

izraz za entropijo sistema S (en.(4.4.6)) pa kot:

1 1

1 ln 1 1 ln 1 ln 22 2

S kN x x x x

. (4.4.20)

Prosto energijo sistema F = E − TS ima sedaj obliko:

211 ln 1 1 ln 1

2 2 2m

kT kTF N z J x p Bx x x x x

, (4.4.21)

kjer smo izpustili člen −kTN ln2, ki ni odvisen od x. V nadaljevanju poiščemo minimum

proste energije sistema F tako, da odvajamo enačbo (4.4.21) po spremenljivki x :

1 11ln 1 ln 1

2 1 2 1

1ln 0.

2 1

m

m

x xF kT kTz Jx p B x x

N x x x

xkTz Jx p B

x

(4.4.22)

Uvedemo oznako:

1 1ln

1 1

x xe

x x

, (4.4.23)

od koder sledi:

1tanh

1 2

ex

e

. (4.4.24)

Izraz za e iz enačbe (4.4.23) vstavimo v enačbo (4.4.22), upoštevamo ln ( )e , in

dobimo:

2

mp B z J x

kT

. (4.4.25)

Izraz za / 2 iz enačbe (4.4.25) nato vstavimo v desno stran enačbe (4.4.24) in končno

dobimo :

Page 31: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

88

tanhmp B z J x

xkT

. (4.4.26)

V okviru obravnavanega 2-dimenzionalnega Isingovega modela lahko magnetizacijo sistema

M zapišemo v obliki:

m m mM n p p n c c p n x , (4.4.27)

kjer je n = N/V volumska gostota molekul.

V nadaljevanju se lotimo reševanja enačbe (4.4.26) za več posebnih primerov.

1. V sistemu ni zunanjega magnetnega polja (B = 0). Enačba (4.4.26) se v tem primeru

transformira v obliko:

tanhz Jx

xkT

(4.4.28)

Vpeljemo novo spremenljivko z J

y xk T

in enačbo (4.4.28) zapišemo v obliki:

tanh ( )k T

y yz J

. (4.4.29)

Slika 2: K reševanju enačbe (4.4.29).

Rešitev enačbe (4.4.29) je pri vrednosti y, kjer se funkciji kT

yzJ

in tanh (y) sekata (glejte še

sliko 2). Premica kT

yzJ

mora imeti naklonski koeficient kT

zJ manjši od 1, da se funkciji

kTy

zJ

in tanh (y) sekata. Mejna vrednost 1ckT

zJ , ustreza temperaturi

c

zJT

k , (4.4.30)

ki ji pravimo kritična temperatura.

Page 32: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

89

Pri temperaturah pod Tc obstaja v sistemu spontana magnetizacija mM p n x , ki ustreza

neničelni rešitvi enačbe (4.4.28) (t.j. 0x ). Nad kritično temperaturo se spontana

magnetizacija poruši, enačba (4.4.28) takrat nima rešitve za 0x . Slika 3 shematsko

prikazuje spontano magnetizacijo kot funkcijo temperature T.

M

TCT

Slika 3: Temperaturna odvisnost spontane magnetizacije M za B = 0.

Tabela za enačbo (4.4.37) pa navaja kot primer vrednosti kritične temperature TC (Curiejeve

temperature) za nekatere feromagnetne materiale.

2. Vrnimo se k splošni enačbi (4.4.26) za primer 0B in vprašajmo se, kaj se dogaja z

magnetizacijo pri visokih temperaturah, ki so nad kritično temperaturo TC.

Pri visokih temperaturah (T > TC) je argument v enačbi (4.4.26) majhen. Tako uporabimo

samo prvi člen razvoja funkcije tanh(x) ≈ x v vrsto in enačbo (4.4.26) zapišemo v obliki:

1m mp B z J x p BzJx x

kT kT kT

. (4.4.31)

V enačbi (4.4.31) upoštevamo še zvezo C

z JT

k in jo prepišemo v obliko:

1

1

m

C m

c

p B

T p B kTx xTT kT

T

. (4.4.32)

V enačbo za magnetizacijo (4.4.27) : m

NM p x

V vstavimo enačbo (4.4.32) in dobimo:

2

1

mm

m mc c

N pp B BN N V kkTM p x p

TV V T T

T

. (4.4.33)

Ob upoštevanju zveze 0B H iz enačbe (4.4.33) sledi :

Page 33: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

90

2

0

,

m

c

pN

V kM HT T

(4.4.34)

oziroma:

M H , (4.4.35)

kjer je magnetna susceptibilnost:

c

C

T T

, (4.4.36)

konstanta C pa je enaka:

2

0 mpNC

V k

. (4.4.37)

Tabela : Kritične temperature Tc nekaterih feromagnetnih materialov :

snov Tc/[K]

Co 1400

Fe 1043

Ni 631

Page 34: 3.3 POISSONOVA ENAČBA - Laboratory of Physicsphysics.fe.uni-lj.si/students/predavanja/Fizika2_2_del.pdf · 61 3.4 ELEKTRIČNA DVOJNA PLAST V ravnini x = 0 si zamislimo neskončno

91

4.5 ENERGIJA MAGNETNEGA POLJA+

(primer dolge tuljave z gostim navitjem)

Dolga tuljava:

Amperov zakon

INlH , l dolžina tuljave, I tok skozi tuljavo, N število ovojev.

HB

l

INHB

0

00

Med naraščanjem električnega toka skozi tuljavo, mora generator opravljati delo:

222dd

d

dd

222

začkon

I

I

I

I

L

IL

IL

ILIILtI

t

ILtIUA

kon

zač

kon

zač

Prejeto delo ni odvisno od tega kako narašča tok po tuljavi, ampak samo od začetnega in

končnega toka. Zato definiramo magnetno energijo tuljave:

VHBVHl

INlS

I

l

l

l

SNI

l

SNILWm

2

1

2

1

2

1

222

2

0

2

0

22

0

22

0

2

,

kjer je V = S l

Torej je gostota energije magnetnega polja mw (predpostavili smo, da je magnetno polje

samo znotraj tuljave):

0

22

02

1

2

1

2

1

BHBHwm