лабораторный_практикум_по_жк

Рассмотрим нематик в плоском прозрачном конденсаторе

(рис. 1).

S -эффект В -эффект

Рис. 1. Схема взаимной ориентации директора и электрического поля , приводящей к ориентационным электрооптическим эффектам,

состоящим в изменении величины двулучепреломления ∆n или удельного вращения плоскости поляризации света ρ

При исследовании ориентационных электрооптических эффектов всегда удобно направлять свет на образец через плоские грани капилляра. Обозначим это направление как ось Z. Другие оси – X и Y – можно выбрать достаточно произвольно.

51

Рассмотрим нематики с Δε > 0. Для того чтобы происходил переход Фредерикса, необходимо, чтобы первоначальная ориентация директора и поля была перпендикулярна. Поэтому здесь возможны два случая: директор направлен вдоль оси Х, электрическое поле Е – вдоль оси Z или директор – вдоль оси Z, а поле – вдоль оси Х (рис.1).

Впервом случае, как легко видеть, слой нематика в исходном состоянии обладает двулучепреломлением: его оптическая индикатриса – вытянутый эллипсоид вращения своей – оптической осью расположена вдоль оси Х. В конечном состоянии оптическая ось эллипсоида установится (в идеальном случае) вдоль оси Z, и свет, распространяясь вдоль нее, не будет испытывать двулучепреломления. Во втором случае – все наоборот.

Вэтих случаях ориентационный электрооптический эффект осуществляется благодаря деформации поперечного изгиба, описываемого упругой постоянной К11. Поэтому принято эти случаи называть S-эффектом (splay – поперечный изгиб).

Пусть в капилляре получена закрученная структура (твистструктура) (см. п. 3) с осью спирали вдоль оси Z. Тогда при приложении электрического поля в том же направлении закрученная структура будет деформироваться к гомеотропной (рис. 1). В исходном состоянии твист-структура вращала плоскость поляриза-

ции линейно поляризованного света, распространяющегося вдоль оси Z, на 900. В конечном состоянии оптическая активность исчезнет. Здесь ориентационный электрооптический эффект осуществляется вследствие деформации кручения, описываемой упругой постоянной К22, которая и будет входить в выражение для критического поля Фредерикса. Поэтому этот случай называют Т-эффектом (twist-кручение).

Прейдем теперь к нематикам с Δε < 0 (рис. 1). Условие перпендикулярности и в конечном состоянии и в этом случае приводит к двум возможностям. В исходных состояниях директор и электрическое поле расположены параллельно, но исходная текстура может быть как гомеотропной, так и гомогенной. Тогда ясно, что в первом случае оптическая индикатриса будет поворачиваться, стремясь расположиться своей оптической осью вдоль оси Х,

52

что приводит к возникновению двулучепреломления в слое нематика. Во втором случае, наоборот, двулучепреломляющий слой будет становиться изотропным, но только для света, распространяющегося вдоль оси Z (рис. 1). Этот электрооптический эффект обычно называют В-эффектом (bend – продольный изгиб, потому что его реализация обусловлена деформацией продольного изгиба, описываемого упругой постоянной К33.

Молекулы вещества с отрицательной диэлектрической анизотропей Δε стремятся расположить свои длинные оси перпендикулярно приложенному полю Е. Если первоначально кристалл ориентирован гомеотропно (т. е. молекулы перпендикулярны стенкам ячейки), то возникает деформация ориентации, показанная на рис. 2.

Рис. 2. Возникновение диэлектрической деформации (∆ε < 0, геомеотропная текстура). Ячейка из состояния погасания переходит в состояние светопропускания между скрещенными поляроидами

Рис. 3. Кривая светопропускания J(V). Отмечены значения δ/2 в максимумах и минимумах кривой

Диэлектрический момент сил md стремится повернуть молекулы, но упругий момент mр, обусловленный сцеплением молекул со стенками ячейки препятствует этому. Поэтому переориентация начинается на максимальном удалении от стенок, т. е. в центре ячейки.

Оценим пороговое напряжениеVп начала диэлектрической деформации образца. Диэлектрический момент md Δε·θ·Е2; упругий момент mр K33·θ·π2·d–2 . Физический смысл этих выраже-

53

ний достаточно прост: md тем больше, чем больше суммарный дипольный момент молекулы, т. е. чем больше |De| = |e||-e |. Энергия электрического поля ~Е2, а именно она определяет силы, действующие в поле. Упругий момент mр прямо пропорционален деформации (углу q), упругому модулю (К33 в нашем случае), и тем больше, чем меньше размеры деформации (~p/d).

Условие порога деформации md³mр, отсюда

De·q·Е2 = К33·q·p2/d2

или

Еп2·d2 = Vп2 = p2·К33/De (система СГСЕ). Ориентация молекул в жидкокристаллическом образце

происходит в таком направлении, что для состояния термического равновесия свободная энергия минимальна. Для образца нематического жидкого кристалла с отрицательной диэлектрической анизотропией, ориентированного гомеотропно, исходя из минимума свободной энергии находим, что критическая напряженность электрического поля, вызывающего деформацию, определяется по уравнению:

Еп = p/d.

Более точный расчет дает аналогичную формулу: Vп = p.

(направление осей молекул параллельно плоскости электродов).

Врезультате переориентации в случае В-эффекта однородный образец разделяется на отдельные участки, в которых молекулы имеют одинаковый азимутальный угол в плоскости стекла ячейки. Такие участки имеют различные цвета интерференции, связанные с суммарным двулучепреломлением этого участка, и различные интенсивности пропущенного света, связанные с углом между проекцией осей молекул и поляроидами.

Всоответствии с формулой пропускания интенсивность проходящего света равна:

I = Io··sin2d/2.

54

Здесь ϕ – азимутальный угол в отдельном ориентированном участке, sin22ϕ – постоянное значение, усредненное по всей площади светового пучка, δ – разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами после выхода из кристалла. При Е = 0, δ = 0

слою угол наклона молекул, п|| и п – показатели преломления, измеренные в ориентированном монокристалле вдоль и поперек длинной оси (или директора ).

Величина δ/2 = π·d/λ·(n|| – n )·sin2θ.

Очевидно, что в случае δ = 2π·S, (где S = 1, 2, 3 …) на кривой пропускания I(δ) будет минимум. По мере роста напряжения V и увеличения угла переориентации θ, кривая I(δ) покажет ряд максимумов и минимумов (рис. 3). В минимумах sin2θ ≈ λ·S/d(n|| – n ).

В максимумах sin2θ ≈ λ(S – ½)/d(n|| – n ).

Таким образом, измеряя V в точках минимума и максимума ососциллирующей кривой I(V), можно определить ряд точек зависимости среднего по слою угла наклона молекул θ от напряжения V.

Наконец, для нематиков с σ < 0 наблюдается так называемый обратный Т-эффект (рис. 1). В исходном состоянии директор и электрическое поле направлены вдоль оси Z. Но опорные стекла обработаны таким образом, что допускают образование закрученной структуры (например, натиранием одного стекла в направлении X, а другого – в направлении Y). Тогда под действием электрического поля будет осуществляться переход от гомеотропной к закрученной структуре. При этом будет возникать оптическая активность, которой, естественно, не было в гомеотропной текстуре.

Целью работы является: изучение процесса диэлектрической деформации гомеотропного образца МББА. Кривая светопропускания измеряется с помощью фотодетектора, насаженного на тубус микроскопа. Напряжение на образец подается с генератора ГЗ-33. Также проводится визуальное наблюдение процесса индуцированного двулучепреломления. Толщина образца 25 мкм. Используется синий светофильтр. Используются табличные данные для МББА и рассчитываются углы θ(S) в максимумах и минимумах. По графику I(V) определяют зависимость θ(V) и заносят ее в таблицу.

55

Выполнение работы:

1.Поместить ячейку с образцом на столик поляризационного микроскопа.

2.Вывести в поле зрения участок кристалла, погашенный между скрещенными поляроидами.

3.Установить на генераторе ГЗ-33 частоту 1000 Гц.

4.Увеличивая напряжение наблюдать изменение интерференционных цветов. Записать Vп.

5.Установить синий фильтр (λ≈4300Å).

6.Надеть на окуляр насадку с фотосопротивлением (ФС).

7.Вывести на ГЗ-33 пределы шкалы напряжений 10В.

8.Изменяя напряжение через 0,2В, измерить зависимость интенсивности проходящего света I(V). Интенсивность измеряется в единицах шкалы микроамперметра М95 (мкА). Каждая точка

снимается только после установления сигнала ( 1 мин.).

9.Построить зависимость I(V).

10.Используя табличные данные для МББА, а также d = 25 мкм,

λ = 0,43мкм, определить Vn и углы поворота молекул θ в максимумах и минимумах кривой светопропускания.

11. Построить зависимость θ(V).

Поскольку для исследования S-эффекта необходимы более чувствительные методы, предлагается провести визуальное наблюдение этого эффекта на данной установке, используя вещество с Δε>0 (4 – пропаноилокси – 4 | – цианазоксибензол) при тех же параметрах эксперимента, которые были установлены для В-эффекта.

Задания

1. Опишите ориентационные электрооптические эффекты (В– эффект, S– эффект, Т– эффект).

2.Опишите картину деформации в гомеотропном образце МББА.

3.Нарисуйте кривую светопропускания в функции приложенного напряжения.

4.Запишите формулу светопропускания и опишите ее особенности.

5.Рассчитайте порог диэлектрической деформации гомеотропной текстуры.

56

ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ, ВХОДЯЩИХ В ЦИКЛ

1. Общие положения

Работа студентов в лаборатории разрешается в часы, отведенные по расписанию, и в дополнительное время, согласованное с заведующим кафедрой под наблюдением преподавателя или инженера.

2. Требования охраны труда во время работы

Следить за нормальным режимом оборудования, знать основные виды отклонений и методы их устранения.

Следить, чтобы токоведущие провода не касались металлических, промасленных, мокрых поверхностей, чтобы на них не попадали химреактивы. Не трогать контакты к жидкокристаллическим ячейкам.

Рабочее место должно содержаться в чистоте и не загромождаться.

Запрещается принимать пищу в помещении лаборатории.

Запрещается оставлять работающую установку без присмотра.

Нельзя передвигать или переносить приборы, находящиеся под напряжением.

Если в ходе выполнения работы обнаружится неисправность прибора или другие неполадки, работу следует немедленно прекратить, сообщить преподавателю или инженеру о замеченных неисправностях.

Необходимо помнить, что легковоспламеняющиеся вещества (ЛВЖ – ацетон, бензин, спирты, эфиры) в определенной концентрации с воздухом являются взрывоопасными и могут вызвать пожар.

57

3. Требования охраны труда в аварийных ситуациях

При перерыве в подаче электрической энергии выключить электроустановку.

В случае возгорания электроустановки или токопроводящих проводов установку следует обесточить. Тушить песком, углекислым огнетушителем ОУ-2, ОУ-5, порошковым огнетушителем.

При обнаружении очага возгорания принять меры к его ликвидации, в случае невозможности ликвидации пожара звонить 01.

58

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М. :

Наука, 1978.

2.Жидкие кристаллы : сб. / под ред. С. И. Жданова. М. : Химия, 1979.

3.Капустин А. П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. М. : Наука , 1978.

4.Капустин А. П. Электрооптические и акустические свойства жидких кристаллов. М. : Наука, 1973.

5. Лабораторные работы по физике жидких кристаллов / сост. Е. А. Кирсанов, А. А. Разумов. Иваново, 1980.

6.Поль де Жен. Физика жидких кристаллов. М. : Мир, 1977.

7.Сонин А. С. Введение в физику жидких кристаллов. М. : Наука, 1983.

8.Сонин А. С. Кентавры природы. М. : Атомиздат, 1980.

9.Сонин А. С. Лекции о жидких кристаллах. Части 1, 11. М. : Изд-во МГУ, 1980.

10.Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. М. : Мир, 1980.

11.Чистяков И. Г. Жидкие кристаллы. М. : Наука, 1966.

59

60