лабораторный_практикум_по_жк

Здесь WB – суммарная энергия образования дырки – вакансии и энергии перехода молекулы в эту дырку. Текучесть нематического кристалла зависит от его ориентации, т. е. от соотношения вектора скорости и директора

Типичный график lgη–1 (1/T) показан на рис. 1. Как правило, в образце с заданной начальной ориентацией энергия активации практически не меняется внутри одной фазы. При движении в направлении, перпендикулярном молекулам величина вязкости, а значит и энергия активации вязкости, больше, чем при движении вдоль молекул. В неориентированном образце энергии активации для изотропной и нематической фаз очень близки.

lg η – 1

НЖК

Т – 1

Рис. 1. Зависимость текучести от температуры при различных ориентациях нематика по отношению к скорости течения

lg σ

ИЖ α

НЖК

TK

Т – 1

Рис. 2. Зависимость σ(Т)

21

Величины W для ИЖ и НЖК мало отличаются. В твердой фазе W резко возрастает, а σ испытывает скачок на два порядка величины. Как показано ранее, электропроводность связана с подвижностью соотношением σ = Z·e·n·μ, здесь μ – подвижность носителей. Так как для нематиков μ η–1 , то σ η–1 .

Отсюда следует, что σ exp(– W/kT). Если n не зависит от Т, то энергия активации электропроводности и вязкости должны быть близки, что подтверждается экспериментально. Для образца, ориентированного перпендикулярно полю, зависимость lgσ(1/T) показана на рис. 2. Для неориентированного образца различие угла наклона прямых lgσ(1/T) мало заметно при переходе из нематической (НЖК) в изотропную фазу (ИЖ). В твердой фазе (ТК) сопротивление образца намного выше, так же, как и энергия активации.

Целью работы является изучение температурной зависимости образца ПАА. Образец ПАА находится в твердом состоянии между двумя стеклами с электропроводящим покрытием (рис. 3). На стеклах имеются прорези, ограничивающие рабочую площадь электродов. Образец помещается в ячейку. Ячейка вставляется в зажимы и на ее электродах крепятся контакты. Перед установкой ячейки и после нее оценивается сопротивление образца с помощью авометра. Термокамера закрывается крышкой, на которой крепится обзорное стекло. Ячейка нагревается при подаче на обмотку нагревателя термокамеры напряжения ( 30В) с регулятора напряжения. Регулировка и установка требуемой температуры осуществляется регулятором ЭРА – М. Измерение То производится термопарой медь – константант или непосредственно по шкале ЭРА – М. Сопротивление образца R(d = 25мкм, S = 2см2) измеряется электронным омметром В7-26. Температурный интервал между измерениями 2оС. Интервал измерений – от твердой фазы до изотроп- но-жидкого состояния. Проверка состояния производится с помощью поляризационного микроскопа.

Для оценки энергии активации W и разделения различных типов электропроводности производится расчет функции:

Схема установки

Рис. 3:

1 – жидкокристаллическая ячейка;

2 – термокамера;

3 – электронный омметр В7-26;

4 – термосопротивление с бифилярной обмоткой;

5 – нагреватель;

6 – регулятор температуры ЭРА-М;

7 – регулятор напряжения.

По графику lgs(T–1 ) определяется энергия активации на различных участках. Величина k равна 1,38×10–23 Дж/град.

Выполнение работы

1.Включить приборы, входящие в экспериментальную установку;

2.Установить регулятор на 60оС, напряжение на нагревательной

спирали~30В, переключатель диапазона В7-26 в положение х107 для измерения сопротивления; 3. Установить «0» и «¥» прибора В7-26;

23

4.Подключить ячейку к прибору В7-26. Провести измерение R, когда регулятор температуры ЭРА-М покажет измерение «меньше» – « больше» – « меньше»;

5.Перевести движок регулятора температуры на два градуса выше и провести новое измерение, когда регулятор вновь пройдет положение «меньше» – « больше» – « меньше»;

6.Проделать измерения в трех фазах (твердая, нематическая, изотропная) в цикле нагревания и охлаждения;

7.Построить графики R(T) и lgσ(1/T). Определить энергию активации электропроводности.

Вопросы и задания

1.Опишите характер электропроводности органических жидкостей.

2.Чем подтверждается предположение об ионном механизме электропроводности жидких кристаллов нематического типа?

3.Как зависит электропроводность от температуры?

4.Объясните зависимость текучести от температуры и ориентации в нематической фазе.

5.Объясните понятия вязкости и текучести.

6.Как связаны электропроводность и текучесть в нематиках?

7.Опишите экспериментальную схему измерения.

24

Лабораторная работа № 3 ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ

ВНЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

СОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ (ЭГДН)

Эффекты, вызванные действием электрического поля на нематические жидкие кристаллы (НЖК) привлекают внимание в связи с их применением в электрооптических устройствах. Основное внимание уделяется при этом веществам с отрицательной диэлектрической анизотропией (De = e|| – e Ð 0). Анизотропия

проводимости НЖК во всех изученных случаях положительна

(Ds = s|| – s > 0).

Опишем поведение нематического жидкого кристалла (НЖК) в обычной электрооптической ячейке. Она состоит из двух стеклянных пластин, покрытых прозрачным электропроводящим слоем. Применяются различные металлы или окиси, чаще всего напыляют окись олова SnO2. Пластины отделены тефлоновыми или слюдяными прокладками, которые имеют толщину от 5 до 500 мкм (большие толщины усложняют экспериментальную картину). Вещество в жидком состоянии втягивается в капилляр между стеклами. Внешний вид ячейки показан на рис. 1. Молекулы ориентированы преимущественно в одном направлении (направлении натирания стекол и параллельном стеклам ячейки). При достижении некоторого порогового напряжения Vп появляются домены, визуально наблюдаемые в поляризованном свете в виде системы полос. Такие домены называются доменами Капустина – Вильямса или линейными доменами. Линии доменов располагаются перпендикулярно направлению натирания стекол, т. е. перпендикулярно первичной ориентации молекул. Домены, индуцированные переменным электрическим полем, качественно подобны возникшим в постоянном поле (рис. 2).

Так как подвижность ионов больше в направлении длинных мокулярных осей (s|| – s > 0), в слое НЖК возникает периодическое распределение пространственных зарядов. Воздействие внешнего электрического поля ЕZ на объемно-заряженную жидкость вызывает ее вихревое движение.

25

а б

Рис. 1. Внешний вид экспериментальных ячеек

Рис. 2. Домены Капустина – Вильямса в МББА

Равновесная ориентация в таких вихревых трубках молекул определяется равновесием между упругим моментом (стремящимся установить молекулы перпендикулярно полю) и гидродинамическим моментом (поворачивающим длинные оси молекул в соответствии с градиентом скорости). Деформация ориентации и картина течения показаны на рис. 3. Эллипсы изображают удлиненные мо-

26

лекулы НЖК. Поворот молекул связан с поворотом оптической индикатрисы слоя НЖК, поэтому показатель преломления поляризованного света периодически изменяется вдоль оси Х. Подобное изменение п приводит к фокусировке проходящего света, показанной на рис. 3. Фокусные линии и образуют визуальную картину доменов в поляризационном микроскопе (рис. 2).

При повышении напряжения V > Vn ламинарное течение НЖК переходит в турбулентное, возникает явление динамического рассеяния света, нашедшее широкое применение в индикаторах, модуляторах и оптических затворах на жидких кристаллах.

Когда напряжение V, приложенное к ячейке, достигает определенного порогового V ³ Vn (порядка 5B), в нематике наблюдается периодическая деформация упорядочения. Обычно это простой тип одномерного искажения, который впервые наблюдал Вильямс. Свет с плоскостью поляризации вдоль оси Х, падающий перпендикулярно ячейки (вдоль оси Z), благодаря такому типу искажения проходит как бы через оптическую систему линз, которые фокусируют его в определенных плоскостях (они обозначены на рис. 3 звездочками: fв, fср. и fн – соответственно высокая, средняя и нижняя фокальные плоскости). Как будет видно позднее, теоретически период искажения D определяется толщиной образца d, а Vn не зависит от d.

Рис. 3. Схематический вид ЭГДН в нематике

а – поперечный разрез образца в плоскости; б, в, г – вид доменов сверху при различных фокусировках

27

Рис. 4. Модель Карра-Хельфриха для вещества с отрицательной диэлектрической анизотропией и положительной анизотропией проводимости

28

Рис. 5. Зависимость порогового напряжения /Vn/ возникновения электрогидродинамической неустойчивости от частоты /ν/ для МББА:

РП – режим проводимости; РД – диэлектрический режим

Характер этих искажений можно объяснить с помощью конвективных неустойчивостей. Общую идею впервые выдвинули Цветков и Карр, а наиболее полно ее развил Хельфрих.

Чтобы понять основную идею, рассмотрим слой вещества (e|| – e Ð0 и s|| – s > 0) в электрическом поле E, как показано на рис.4. В первоначальном состоянии молекулы образуют плоскую текстуру вдоль оси Х.

Искаженное полем состояние обладает небольшой периодичностью типа продольного изгиба. Упругая энергия Франка вследствие искажения увеличивается и вызывает возвращающую силу. Если s|| > s , возникает компонента тока It, вдоль оси Х, которая стремится собрать положительный заряд плотностью q в области около точки А. Эта аккумуляция заряда приводит к двум основным эффектам:

1.Поле в точке В меняется от Е до Е + dЕ. Молекулы в точке

Встремятся, чтобы их длинные оси оставались перпендикулярными полному полю. Как следует из рис. 4, этот электрический момент кручения стремится увеличить начальное искажение.

2.Жидкость около точки А подвержена действию объемной силы qE. Это приводит к определенной картине потока, качественно показанной на рис. 4. В результате в точке В возникает большой

29

гидродинамический момент кручения, который также старается увеличить искажение, θ – угловая амплитуда искажения.

Величина порогового напряжения возникновения электроконвективного течения (доменов) выводится в теории электрогидродинамической неустойчивости (ЭГДН).

В переменном поле наблюдаются два различных режима ЭГДН, разделенных критической частотой νс (рис. 5). В режиме проводимости объемные заряды в каждой точке образца успевают менять свой знак за 1/2 периода поля (т. е. перетекают по оси Х). Таким образом, движущая сила qE всегда направлена в одну сторону и течение имеет постоянную скорость и направление. Молекулярная ориентационная картина также постоянна. Частицы примесей движутся между нижним и верхним электродами. При увеличении частоты период λ уменьшается.

В диэлектрическом режиме (РД) заряд, находящийся в жидкости, не успевает рассасываться и вновь накапливаться за половину периода, т. к. частота поля слишком велика. Поэтому сила qE меняет знак дважды за период, а скорость вихревого течения дважды меняет свое направление. Изменение скорости течения вызывает изменение ориентационной картины, которая осциллирует с удвоенной частотой поля 2ν. Пороговая зависимость имеет вид Еν1/2.

Целью работы является определение пороговых характеристик ЭГДН и сравнение экспериментальных результатов с теоретическими моделями.

Задание 1

Определение пороговых характеристик ЭГД – неустойчивости в планарной текстуре МББА (4 – метоксибензилиден – 4 1 – бутиланилина).

Образец МББА введен в изотропном состоянии в ячейку (рис. 6), состоящую из двух стеклянных пластин с электропроводящим покрытием SnO2. Пластины натерты для получения планарной ориентации. Толщина d 30 мкм задается тефлоновыми прокладками. К электродам подается напряжение с генератора Г3-33. Ячейка помещается на столик поляризационного микро-

30