169
s |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- sинд |
|
||
0 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
t |
|
|
|
|
|
|
|
E |
+ s Rн |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ei |
|
|
|
|
|
|
- s |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ sинд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 5.12 - Пример зависимости |
Рисунок 5.13 |
- Распределение |
||
плотности заряда от времени(3) для |
электрических |
полей связанных и |
||
электрета. |
Пунктирными |
линиями |
индуцированных (свободных) зарядов |
|
показано |
изменение |
каждой |
в плоскомиз конденсаторе, содержащем |
|
составляющих: |
гомо- |
(1) |
и |
электрет. |
|
|
|
гетерозаряда (2). |
|
|
|
|
|
|
|
Наибольшее |
применение |
в |
качестве |
электретовнеполярныхиз |
|||
диэлектриков |
нашли |
политетрафторэтилен(тефлон, фторопласт-4). |
В |
||||
преобразователях используют полимерные пленки толщиной3—20 мкм, |
|||||||
металлизированные |
с |
одной |
стороны. Электреты |
получают |
обычно |
||
электронной бомбардировкой пленки в вакууме при энергиях 3—6 кэВ, при |
|||||||
которой электроны |
внедряются |
на |
глубину около1 мкм. Максимальная |
||||
плотность |
заряда |
определяется |
отражением |
электронов |
от |
силь |
|
заряженного диэлектрика или условиями возникновения пробоя. |
|
|
|||||
Ряд керамических материалов и стекол также может использоваться как |
|
||||||
электреты. Электризацию их осуществляют путем помещения на несколько |
|
||||||
часов в сильное электрическое поле(2 МВ/м) при температуре 150—200°С. |
|
||||||
Ток абсорбции и миграционная поляризация создают суммарный гомозаряд. |
|
||||||
Максимальная плотность заряда получена в керамике |
титаната |
кальция. |
|
||||
Однако |
ввиду |
высокой |
диэлектрической |
|
проницаемости(e=150) |
|
|
напряженность внешнего поля электретов CaTiOиз 3 |
не |
выше, чем |
у |
|
|||
электретов из полимерных диэлектриков. |
|
|
|
|
|||
5.4 Жидкие кристаллы |
|
|
|
|
|
||
Особый класс электрооптических материалов представляют жидкие кристаллы, широко используемые на практике.
Жидкие кристаллы — это вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и обладают свойствами, характерными как для кристаллов(анизотропия), так и для жидкостей (текучесть).
170
Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном |
|
||||
интервале |
температур |
между |
твердокристаллическим |
состоянием |
и |
состоянием изотропной жидкости. Жидкокристаллическую фазу иногда |
|
||||
называют мезофазой, т. е. |
промежуточной фазой, а жидкокристаллическое |
|
|||
состояние вещества—мезоморфным. |
|
|
|
||
Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, молекулы |
|
||||
которых обычно имеют удлиненную, палочкообразную форму. Многие из |
|
||||
них содержат бензольные кольца в молекулярной цепи. Например, |
молекула |
|
|||
р-метоксибензилинен — p'-n-бутиланилина (МББА), интервал |
температур |
|
|||
мезофазы которого составляет 22—48° С, имеет вид |
|
|
|||
По |
структуре |
жидкие |
кристаллы |
подразделяют |
на |
три: |
класс |
||||
нематические, смектические и холестерические. |
|
|
|
|
|
||||||
В нематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде |
|
||||||||||
нитей, как показано на рисунке5.14, а (слово «немос» по-гречески означает |
|
||||||||||
нить). |
Направление |
преимущественной |
ориентации |
молекул |
является |
||||||
оптической осью кристалла (нематическим директором). |
|
|
|
|
|||||||
В смектических жидких кристаллах параллельно ориентированные(за |
|
||||||||||
счет дисперсионного взаимодействия) молекулы упакованы в слои(рисунок |
|
||||||||||
5.14, |
б). |
Если |
одно |
и то |
же |
|
|
|
|
|
|
вещество |
может находиться |
в |
|
|
|
|
|
|
|||
обеих |
|
жидкокристаллических |
|
|
|
|
|
|
|||
модификациях, |
|
то |
|
|
|
|
|
|
|
||
смектическая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
расположена |
по |
температуре |
а) |
б) |
|
в) |
|
|
|||
ближе |
к твердой |
фазе, чем |
|
|
|
|
|||||
нематическая. |
|
Слоистая |
|
Рисунок 5.14 - Структура |
жидких |
|
|||||
упаковка |
молекул |
создаеткристаллов; а - нематических; б - |
||
анизотропию |
не |
только |
опти- |
смектических; в - холестерических |
ческих, но |
и |
механических |
|
|
свойств, поскольку слои легко смещаются относительно друг друга. Слово «смектос» по-гречески — мыло;
кэтим кристаллам относятся и мыльные растворы.
Вхолестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы также
укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется от слоя к слою, - молекулы выстраиваются по пространственной спирали с шагом порядка нескольких сотен нанометров(рисунок 5.14, в). К этому классу относятся соединения холестерина.
171
|
Ориентационный |
порядок |
в |
расположении |
молекул |
приводит |
к |
||||||||||
анизотропии |
свойств |
жидких |
|
кристалл: показательв |
преломления, |
|
|||||||||||
диэлектрическая |
и |
магнитная проницаемости, удельное сопротивление, |
|
||||||||||||||
вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным |
|
||||||||||||||||
осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при |
|
|||||||||||||||
внешних воздействиях: электрического и магнитного поля, температуры, |
|
||||||||||||||||
давления и т. д. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменениям |
|
||||||||||||||||
оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять |
|
||||||||||||||||
свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, то |
|
||||||||||||||||
есть |
использовать |
их |
в |
качестве |
чувствительных |
|
индикаторов |
эти |
|||||||||
воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при |
|
||||||||||||||||
внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и |
|
||||||||||||||||
тепловым — в холестерических. Смектические жидкие кристаллы имеют |
|
||||||||||||||||
ограниченное применение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Электрические свойства жидких кристаллов сходны со свойствами |
|
|||||||||||||||
сегнетоэлектриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на |
|
||||||||||||||||
домены — области с одинаковыми направлениями осей молекул. Однако |
|
||||||||||||||||
время переориентации диполей в жидких кристаллах велико по сравнению со |
|
||||||||||||||||
временем |
переориентации |
в |
сегнетоэлектриках, |
петли |
|
гистерезиса |
|
||||||||||
наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1 Гц). |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Жидкие |
кристаллы |
|
нематического |
типаприменяют |
|
благодаря |
|
|||||||||
присущему им |
электрооптическому эффекту |
динамического рассеяния. Им |
|
||||||||||||||
присуща |
диэлектрическая (и |
оптическая) анизотропия, |
мерой |
|
которой |
|
|||||||||||
является |
разность |
|
диэлектрической |
|
проницаемости( |
|
показателя |
|
|||||||||
преломления), измеренной вдоль и поперек преимущественной ориентации |
|
||||||||||||||||
молекул De = e|| - e^. Положительная анизотропия имеет место в веществах, |
|
||||||||||||||||
молекулы |
которых |
имеют |
дипольные |
моме, нтыаправленные |
вдоль |
|
|||||||||||
молекулярных |
осей, |
отрицательная |
¾ |
в |
веществах, |
|
моментами, |
|
|||||||||
направленными |
перпендикулярно |
|
осям |
молекул. Относительно |
слабое |
|
|||||||||||
электрическое |
поле, |
приложенное |
|
к |
жидкому |
кристаллу, вызывает |
|
||||||||||
выстраивание молекул |
параллельно |
(De>0), |
или |
перпендикулярно (De<0) |
|
||||||||||||
полю. Однако если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура,
сопровождающаяся |
появлением |
|
гидродинамических |
. теченийПри |
|||||
дальнейшем |
увеличении |
напряжения |
течение в |
жидкости |
становится |
||||
турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Жидкий кристалл в |
|||||||||
таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет во всех направлениях. |
|||||||||
Эффект динамического |
рассеяния |
приводит |
к изменению прозрачности |
||||||
жидкого кристалла под действием электрического поля. Поле может быть как |
|||||||||
постоянным, так и переменным с |
низкой |
частотой(до |
102 |
—104 Гц |
в |
||||
зависимости |
от материала). |
Время установления состояния |
динамического |
||||||
172
рассеяния составляет 1—10 мс, а исчезновения после снятия напряжения—
20¾200 мс.
Жидкокристаллическая ячейка, основанная на эффекте динамического рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок с нанесенными на их внутренние стороны прозрачными электродами, между которыми расположен тонкий слой (обычно 5—50 мкм) жидкого кристалла. При подаче напряжения
больше порогового (обычно достаточно 8—50 В) |
молекулы жидкости |
в |
||||
пространстве |
между |
электродами |
начинают |
вращаться |
и |
рассеивать |
падающий свет. Под прозрачным электродом виден яркий рисунок по форме электрода. Нанося прозрачные электроды в виде цифр, букв и других знаков, получают возможность высвечивать эти знаки в отраженном или проходящем свете.
Жидкие кристаллы |
имеют довольно |
высокое удельное сопротивление |
|||
(106—1010 |
Ом×м). Поэтому мощность, потребляемая на питание ячейки, не |
||||
превышает 1 Вт/м2, что на два порядка ниже, чем у газоразрядных и на пять |
|||||
порядков ¾ у светодиодных индикаторов. Кроме того, они более дешевы. |
|||||
Для |
получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят |
||||
красители, |
обладающие |
длинными |
палочкообразными |
молекулами. |
|
Молекулы |
красителя |
ориентируются |
молекулами |
жидкого |
кристалла |
перпендикулярно электродам ячейки и оказываются невидимыми. При подаче напряжения, когда начинается турбулентное течение в жидкости, молекулы красителя, увлекаемые жидкостью, поворачиваются и рассеивают свет определенного цвета.
Холестерические жидкие кристаллы используют благодаря присущему им свойству изменять окраску. Из-за интерференции на витках спирали молекул (см. рисунок 5.14, в) освещенный белым светом кристалл кажется окрашенным. При изменении внешних условий, например температуры, расстояние между витками спирали изменяется, что ведет к изменению окраски. Это позволяет изготовлять простейшие чувствительные индикаторы температуры тела человека, контролирующих устройств нагрева отдельных
узлов и |
деталей радиоаппаратуры |
и .дрВ качестве материалов для таких |
||
"термометров" применяют |
производные холестерина (отсюда ¾ название |
|||
жидких |
кристаллов) и |
их |
смеси. Промышленностью |
выпускаются |
композиции, дающие цветовые переходы в интервале температур3—5 градусов с рабочими температурами 23—41° С.