Some defects in two-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnets: a numerical study of magnetic effects

En del av de intressantaste fenomenen inom dagens materialfysik uppstår ur ett intrikat samspel mellan myriader av elektroner. Högtemperatursupraledare är det mest berömda exemplet. Varken klassiska teorier eller modeller där elektronerna är oberoende av varandra kan förklara de häpnadsväckande effekterna i de starkt korrelerade elektronsystemen. I vissa kopparoxider, till exempel La2CuO4, är det känt att valenselektronerna till följd av en stark ömsesidig växelverkan lokaliseras en och en till kopparatomerna i föreningens CuO2 plan. Laddningarnas inneboende magnetiska moment—spinnet—får då en avgörande roll för materialets elektriska och magnetiska egenskaper, vilka i exemplets fall kan beskrivas med Heisenbergmodellen som är den grundläggande teoretiska modellen för mikroskopisk magnetism. Men exakt varför föreningarna kan bli supraledande då de dopas med överskottsladdningar är än så länge en obesvarad fråga. Min avhandling undersöker orenheters inverkan på Heisenbergmodellens magnetiska egenskaper—ett problem av både experimentell och teoretisk relevans. En etablerad numerisk metod har använts—en kvantmekanisk Monte Carlo teknik—för att utföra omfattande datorsimuleringar av den matematiska modellen på två dedikerade Linux datorkluster. Arbetet hör till området beräkningsfysik. De teoretiska modellerna för starkt korrelerade elektronsystem, däribland Heisenbergmodellen, är ytterst invecklade matematiskt sett och de kan inte lösas exakt. Analytiska utredningar bygger för det mesta på antaganden och förenklingar vars inverkningar på slutresultatet är ofta oklara. I det avseende kan numeriska studier vara exakta, det vill säga de kan behandla modellerna som de är. Oftast behövs bägge tillvägagångssätten. Den röda tråden i arbetet har varit att numeriskt testa vissa högaktuella analytiska förutsägelser rörande effekterna av orenheter i Heisenbergmodellen. En del av dem har vi på basen av mycket noggranna data kunnat bekräfta. Men våra resultat har också påvisat felaktigheter i de analytiska prognoserna som sedermera delvis reviderats. En del av avhandlingens numeriska upptäckter har i sin tur stimulerat till helt nya teoretiska studier.

Hållpunkter för lärande : småbarns möten

Developed from human activities, mathematical knowledge is bound to the world and cultures that men and women experience. One can say that mathematics is rooted in humans’ everyday life, an environment where people reach agreement regarding certain “laws” and principles in mathematics. Through interaction with worldly phenomena and people, children will always gain experience that they can then in turn use to understand future situations. Consequently, the environment in which a child grows up plays an important role in what that child experiences and what possibilities for learning that child has. Variation theory, a branch of phenomenographical research, defines human learning as changes in understanding and acting towards a specific phenomenon. Variation theory implies a focus on that which it is possible to learn in a specific learning situation, since only a limited number of critical aspects of a phenomenon can be simultaneously discerned and focused on. The aim of this study is to discern how toddlers experience and learn mathematics in a daycare environment. The study focuses on what toddlers experience, how their learning experience is formed, and how toddlers use their understanding to master their environment. Twenty-three children were observed videographically during everyday activities. The videographic methodology aims to describe and interpret human actions in natural settings. The children are aged from 1 year, 1 month to 3 years, 9 months. Descriptions of the toddlers’ actions and communication with other children and adults are analyzed phenomenographically in order to discover how the children come to understand the different aspects of mathematics they encounter. The study’s analysis reveals that toddlers encounter various mathematical concepts, similarities and differences, and the relationship between parts and whole. Children form their understanding of such aspects in interaction with other children and adults in their everyday life. The results also show that for a certain type of learning to occur, some critical conditions must exist. Variation, simultaneity, reasonableness and fixed points are critical conditions of learning that appear to be important for toddlers’ learning. These four critical conditions are integral parts of the learning process. How children understand mathematics influences how they use mathematics as a tool to master their surrounding world. The results of the study’s analysis of how children use their understanding of mathematics shows that children use mathematics to uphold societal rules, to describe their surrounding world, and as a tool for problem solving. Accordingly, mathematics can be considered a very important phenomenon that children should come into contact with in different ways and which needs to be recognized as a necessary part of children’s everyday life. Adults working with young children play an important role in setting perimeters for children’s experiences and possibilities to explore mathematical concepts and phenomena. Therefore, this study is significant as regards understanding how children learn mathematics through everyday activities.

Segregation of powder mixtures in silos with particular reference to dry mineral-based construction materials

Segregering eller segregation är ett fenomen som kan förekomma inom olika områden av samhället. Inom samhällsvetenskaperna kan segregering definieras som det rumsliga åtskiljandet av befolkningsgrupper på urval av ras eller etniskt ursprung, kön, social härkomst, religion, ålder, yrke, osv. Segregering av befolkningsgrupper sker ofta mer eller mindre frivilligt och är motsatsen till integration. Inom partikelteknologi definieras segregering oftast som det rumsliga åtskiljandet av beståndsdelarna i en blandning av olika partiklar. Segregering sker då på urval av bl.a. partiklarnas storlek, densitet, form, elektrostatiska eller mekaniska egenskaper, och kan beskrivas som motsatsen till blandning. Segregeringsmekanismer används för att förklara hur och varför en partikelblandning segregerar samt vad slutresultatet i form av den rumsliga fördelningen av partiklarna blir till följd av att blandningen utsetts för en viss behandling. I denna avhandling har segregering av partikelblandningar och speciellt torra mineralbaserade byggmaterial (t.ex. murbruk) till följd av lagring i siloer studerats. Vid industriell produktion av mineralbaserade byggmaterial används siloer för korttidslagring av slutprodukterna precis innan förpackning. Segregering leder till kraftiga variationer i sammansättningen för partikelströmmen ut ur silon, vilket gör att slutprodukterna inte uppfyller kvalitetskraven och kan därmed inte säljas till kunder. Detta leder till arbetsam och dyr bearbetning (återcirkulation) av produkterna med påföljder för produktionsekonomin samt hållbara utvecklingen. I avhandlingen identifierades de väsentligaste segregeringsmekanismerna för torra mineralbaserade byggmaterial i siloer. Dessutom klargjordes effekterna av materialegenskaper, processbetingelser och siloparametrar. Slutligen behandlas möjliga åtgärder för minskning av partikelsegregering i siloer samt tillämpning av matematiska metoder för simulering av partikelflöden med hjälp av datorer.

Understanding and improving quality of secondary school education : conceptions among teachers in Tanzania

Temat för studien handlar om gymnasielärares uppfattningar om kvalitet och om hur kvalitet kan utvecklas i gymnasieutbildningen in Tanzania. Studien är till sin karaktär kvalitativ och består av utprövade semistrukturerade intervjuer med sammanlagt trettio lärare som arbetar i fyra gymnasieskolor både i urbana och rurala miljöer. Lärarna har varierande arbetserfarenhet och undervisar i olika ämnen. Huvudfokus har gällt identifieringen av variationer i lärares uppfattningar om kvalitet. På basen av två forskningsfrågor avslöjar analysen uppfattningar av hur lärare förstår och önskar utveckla kvaliteten på gymnasieutbildningen. Resultaten visar att lärare förstår kvaliteten på utbildningen i sina skolor som försök att möta skolans och samhällets mål, som individuella prestationer och förmågor som att inneha kompetenser och som att möta utmaningar inom utbildning, Identifierade uppfattningar var baserade på lärarnas personliga kunskap, arbetsmiljön och varierande omständigheter som rådde i deras skolor. Uppfattningar om en förbättring av kvaliteten i gymnasieutbildningen innefattade utveckling av lärares motivation, skolmiljön, arbetet i klassrum, kvaliteten på lärares kunskaper och färdigheter och undervisningsmaterial. Ambitionen bakom studien ar att erbjuda en plattform för strategier för att förbättra kvaliteten på gymnasieutbildningen. Resultaten strävar till att ge en fördjupad insikt i uppfattningar hos en utvald grupp av lärare som arbetar under samma villkor inom gymnasieskolor I Tanzania. Av den här anledningen är den genererade kunskapen därför relevant för att belysa lärares uppfattningar även utanför den studerade gruppen av respondenter.

Structural and operational optimisation : applications in energy systems

In this work mathematical programming models for structural and operational optimisation of energy systems are developed and applied to a selection of energy technology problems. The studied cases are taken from industrial processes and from large regional energy distribution systems. The models are based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) and on a hybrid approach of a combination of Non-Linear Programming (NLP) and Genetic Algorithms (GA). The optimisation of the structure and operation of energy systems in urban regions is treated in the work. Firstly, distributed energy systems (DES) with different energy conversion units and annual variations of consumer heating and electricity demands are considered. Secondly, district cooling systems (DCS) with cooling demands for a large number of consumers are studied, with respect to a long term planning perspective regarding to given predictions of the consumer cooling demand development in a region. The work comprises also the development of applications for heat recovery systems (HRS), where paper machine dryer section HRS is taken as an illustrative example. The heat sources in these systems are moist air streams. Models are developed for different types of equipment price functions. The approach is based on partitioning of the overall temperature range of the system into a number of temperature intervals in order to take into account the strong nonlinearities due to condensation in the heat recovery exchangers. The influence of parameter variations on the solutions of heat recovery systems is analysed firstly by varying cost factors and secondly by varying process parameters. Point-optimal solutions by a fixed parameter approach are compared to robust solutions with given parameter variation ranges. In the work enhanced utilisation of excess heat in heat recovery systems with impingement drying, electricity generation with low grade excess heat and the use of absorption heat transformers to elevate a stream temperature above the excess heat temperature are also studied.

Mathematical modeling of laboratory scale three-phase fixed bed reactors

Detta arbete fokuserar på modellering av katalytiska gas-vätskereaktioner som genomförs i kontinuerliga packade bäddar. Katalyserade gas-vätskereaktioner hör till de mest typiska reaktionerna i kemisk industri; därför behandlas här packade bäddreaktorer som ett av de populäraste alternativen, då kontinuerlig drift eftersträvas. Tack vare en stor katalysatormängd per volym har de en kompakt struktur, separering av katalysatorn behövs inte och genom en professionell design kan den mest fördelaktiga strömningsbilden upprätthållas i reaktorn. Packade bäddreaktorer är attraktiva p.g.a. lägre investerings- och driftskostnader. Även om packade bäddar används intensivt i industri, är det mycket utmanande att modellera. Detta beror på att tre faser samexisterar och systemets geometri är komplicerad. Existensen av flera reaktioner gör den matematiska modelleringen även mera krävande. Många förenklingar blir därmed nödvändiga. Modellerna involverar typiskt flera parametrar som skall justeras på basis av experimentella data. I detta arbete studerades fem olika reaktionssystem. Systemen hade studerats experimentellt i vårt laboratorium med målet att nå en hög produktivitet och selektivitet genom ett optimalt val av katalysatorer och driftsbetingelser. Hydrering av citral, dekarboxylering av fettsyror, direkt syntes av väteperoxid samt hydrering av sockermonomererna glukos och arabinos användes som exempelsystem. Även om dessa system hade mycket gemensamt, hade de också unika egenskaper och krävde därför en skräddarsydd matematisk behandling. Citralhydrering var ett system med en dominerande huvudreaktion som producerar citronellal och citronellol som huvudprodukter. Produkterna används som en citrondoftande komponent i parfymer, tvålar och tvättmedel samt som plattform-kemikalier. Dekarboxylering av stearinsyra var ett specialfall, för vilket en reaktionsväg för produktion av långkedjade kolväten utgående från fettsyror söktes. En synnerligen hög produktselektivitet var karakteristisk för detta system. Även processuppskalning modellerades för dekarboxylerings-reaktionen. Direkt syntes av väteperoxid hade som målsättning att framta en förenklad process att producera väteperoxid genom att låta upplöst väte och syre reagera direkt i ett lämpligt lösningsmedel på en aktiv fast katalysator. I detta system förekommer tre bireaktioner, vilka ger vatten som oönskad produkt. Alla dessa tre reaktioner modellerades matematiskt med hjälp av dynamiska massbalanser. Målet med hydrering av glukos och arabinos är att framställa produkter med en hög förädlingsgrad, nämligen sockeralkoholer, genom katalytisk hydrering. För dessa två system löstes ämnesmängd- och energibalanserna simultant för att evaluera effekter inne i porösa katalysatorpartiklar. Impulsbalanser som bestämmer strömningsbetingelser inne i en kemisk reaktor, ersattes i alla modelleringsstudier med semi-empiriska korrelationsuttryck för vätskans volymandel och tryckförlust och med axiell dispersionsmodell för beskrivning av omblandningseffekter. Genom att justera modellens parametrar kunde reaktorns beteende beskrivas väl. Alla experiment var genomförda i laboratorieskala. En stor mängd av kopplade effekter samexisterade: reaktionskinetik inklusive adsorption, katalysatordeaktivering, mass- och värmeöverföring samt strömningsrelaterade effekter. En del av dessa effekter kunde studeras separat (t.ex. dispersionseffekter och bireaktioner). Inverkan av vissa fenomen kunde ibland minimeras genom en noggrann planering av experimenten. På detta sätt kunde förenklingar i modellerna bättre motiveras. Alla system som studerades var industriellt relevanta. Utveckling av nya, förenklade produktionsteknologier för existerande kemiska komponenter eller nya komponenter är ett gigantiskt uppdrag. Studierna som presenterades här fokuserade på en av den teknisk-vetenskapliga utfärdens första etapper.

Context-specific independence in graphical models

The theme of this thesis is context-speci c independence in graphical models. Considering a system of stochastic variables it is often the case that the variables are dependent of each other. This can, for instance, be seen by measuring the covariance between a pair of variables. Using graphical models, it is possible to visualize the dependence structure found in a set of stochastic variables. Using ordinary graphical models, such as Markov networks, Bayesian networks, and Gaussian graphical models, the type of dependencies that can be modeled is limited to marginal and conditional (in)dependencies. The models introduced in this thesis enable the graphical representation of context-speci c independencies, i.e. conditional independencies that hold only in a subset of the outcome space of the conditioning variables. In the articles included in this thesis, we introduce several types of graphical models that can represent context-speci c independencies. Models for both discrete variables and continuous variables are considered. A wide range of properties are examined for the introduced models, including identi ability, robustness, scoring, and optimization. In one article, a predictive classi er which utilizes context-speci c independence models is introduced. This classi er clearly demonstrates the potential bene ts of the introduced models. The purpose of the material included in the thesis prior to the articles is to provide the basic theory needed to understand the articles.

Handledning i slöjdundervisning med kompetensutveckling som mål

Det övergripande syftet med studien är att undersöka hur handledning i slöjdundervisningen kunde bidra till utveckling av kompetenser. Studien fokuserar på de mål för mångsidig kompetens som ställs i grunderna för läroplanen för den grundläggande utbildningen 2014. Som en aspekt av detta undersöks också hur handledning kommer till uttryck i slöjdundervisningen idag. Utgående från detta ställdes följande forskningsfrågor: 1. Hur ser handledning i slöjdundervisning ut? 2. Hur kan kompetensområden behandlas i handledningssituationer i slöjd? I studien har observation som undersökningsmetod använts. I observationen filmades slöjdlektionerna för att sen kunna genomföra en noggrann analys av dessa. Vid observationstillfället följde filmkameran läraren för att fånga upp den kommunikation och interaktion som pågick under handledningssituationerna. Observationerna bestod av två lektioner där 64 handledningssituationer kunde urskiljas. Antalet lärare som deltog var två medan det totala antalet elever var 20, 11 i textilslöjd och 9 i teknisk slöjd. Materialet som användes i studien uppgick till 154 minuter videomaterial. Materialet analyserades utifrån fem olika aspekter. Den första aspekten var i vilken grad lärare eller elev tar initiativ till en handledningssituation samt hur initiativet togs. Den andra aspekten var handledningens karaktär. Analysen av handledningens karaktär utgick från två perspektiv på handledning, föreskrivande och icke-föreskrivande handledning. Den tredje aspekten som analyserades var i vilken mån läroplanens mål för mångsidig kompetens blev synliga i handledningssituationerna. Den fjärde aspekten var elevernas position i slöjdprocessen. Den femte och sista aspekten som analyserades var hur lärarens kommentarer för över ansvaret på eleven eller ifall lärarens kommentar innebär att läraren tar ansvaret för att ett produktionshinder övervinns eller ett problem löses. För att kunna besvara forskningsfråga två har analysen också innefattat en jämförelse mellan föreskrivande och icke-föreskrivande handledning. I jämförelsen undersöktes hur respektive handledningsform bidrog till en viss ansvarsförskjutning samt i vilken grad kompetensområden synliggjordes. Resultatet från studien visar att handledningen i slöjdundervisningen har en stark föreskrivande karaktär. Vidare framkom att lärare i hög grad initierar handledningssituationer. De kompetensområden som synliggjordes i handledningssituationerna har oftast en anknytning till praktiska färdigheter eller planeringsfärdigheter. Resultatet indikerar att lärarens möjligheter att behandla specifika kompetensområden är beroende av undervisningens utformning samt var i slöjdprocessen elevernas arbeten är. Studiens resultat visar på en diskrepans mellan befintliga modeller kring handledning i slöjdundervisning och det som synliggjorts i denna studie. I avhandlingens resultatdiskussion presenteras därför en modell för handledning i slöjdundervisning

Dataspelet Minecraft i matematikundervisningen : en interventionsstudie

Finländska elever presterar fortsättningsvis bra i matematik men deras inre motivation till ämnet är klart under medelnivån för OECD-länderna. Det finns ett konstaterat samband mellan intresse och prestationer, och att höja elevernas intresse vore därför viktigt. Användningen av dataspel i undervisningen möjliggör just detta då det kunde höja elevernas motivation och intresse. Det finns en del tidigare forskning om hur dataspel påverkar inlärningen, men eftersom området fortfarande är relativt nytt finns luckor att fylla. De övergripande resultaten inom området inlärning genom dataspel är positiva och lovande. Tidigare forskning visar att användningen av dataspel i matematikundervisningen har en positiv inverkan på elevernas prestationer. Man har också kunnat konstatera att användningen av dataspel i undervisningen påverkar elevernas attityder till ämnet positivt, men forskning om hur specifika affektiva faktorer som intresse, självuppfattning och matematikångest påverkas saknas. Syftet med avhandlingen är att undersöka effekten av dataspelet MinecraftEdu på finländska studerande inom yrkesutbildningen. Forskningsfrågorna som avhandlingen utgår ifrån är följande: Hur påverkar användningen av MinecraftEdu i matematikundervisningen låg- och normalpresterande studerandes 1) matematiska färdigheter, 2) intresse för matematik, 3) matematiska självuppfattning och 4) matematikångest? Forskningsmetoden är kvantitativ och datainsamlingen har genomförts med hjälp av en webbenkät och det standardiserade testet RMAT samt 8 problemlösningsuppgifter. Respondenterna bestod av andra årets studerande inom den finländska yrkesutbildningen. Experimentgruppen som bestod av studerande inom datanomutbildningen undervisades med hjälp av dataspelet Minecraft. Kontrollgruppen, bestående av studerande inom utbildningen för fordonsmekaniker, undervisades traditionellt. Data samlades in vid två tillfällen, före och efter avslutad kurs. Som analysmetod valdes en kovariansanalys. Resultaten av undersökningen tyder på att användningen av MinecraftEdu kan ha positiva effekter på studerandes matematiska färdigheter, speciellt problemlösningsfärdigheter. Resultaten tyder också på att lågpresterande studerande kan gynnas av undervisning genom MinecraftEdu, speciellt med tanke på matematiskt intresse och matematiska färdigheter. Skillnaderna mellan grupperna var dock inte signifikanta och resultaten kan därför inte generaliseras. Resultaten ger däremot en uppfattning om vilken effekt den här typen av undervisning kan ha.