Электреты.

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т.е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита. По способу получения различают термоэлектреты (получают при одновременном действии электрического поля и высокой температуры), фотоэлектреты (действием света и электрического поля), электроэлектреты (действием только сильного электрического поля) и др.

На каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами (рис.8.3,а), образуются электрические заряды обоих знаков. Заряды, перешедшие из поляризующего электрода на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядом. Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядом. Разность гетеро- и гомозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. Поверхностная плотность зарядов может составлять 10^-6-10^-4 Кл/м². У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов гомозаряды. Гомозаряд локализован только в поверхностных слоях электрета, тогда как гетерозаряд распределен по всему объему. Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности воздуха. В настоящее время наибольшее применение находят электреты на основе полимерных пленок (политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат и др.). В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена.

Жидкие кристаллы.

Жидкие кристаллы - это вещества переходящие при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между твердокристаллическим состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное проявление анизотропии свойств (оптических, электрических, магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллическое состояние называется также мезоморфным (мезофазой). На диаграмме состояния температурный интервал существования ЖК ограничен температурой плавления твердых кристаллов и так называемой температурой просветления, при которой жидкокристаллические мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость. Молекулы ЖК обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преимущественно параллельно друг другу.

Ж

Рис.8.4. Структура жидких кристаллов1-смектики, 2-нематики, 3-холистерики

К были открыты Ф.Рейнитцером в 1888 году, но долгое время оставались мало изученными. Интерес к ЖК возник в связи с перспективой их использования. Взаимодействие между молекулами стремится выстроить их в определенный порядок. При высоких температурах тепловое движение препятствует этому, и вещество представляет собой обычную жидкость. При температуре ниже критической в жидкости появляется преимущественное направление, вдоль которого ориентируются длинные или короткие оси молекул. В случае двухосных ЖК упорядочены ориентации как длинных, так и коротких осей молекул.

По способу получения ЖК делятся на термотропные и лиотропные. Термотропные образуются при нагревании твердых кристаллов или охлаждения изотропной жидкости и существуют в определенном температурном интервале. Лиотропные ЖК образуются при растворении твердых органических веществ в соответствующих растворителях, например, в воде. И те и другие имеют обычно несколько модификаций - жидкокристаллических фаз, каждой из которых на фазовой диаграмме соответствует определенная область. Температурный интервал существования ЖК зависит от вещества и может находиться как при низких (до - 60°С), так и при высоких (до 400°С) температурах.

Известно несколько тысяч органических соединений, образующих ЖК. Молекулы типичного термотропного ЖК - 4-метоксибензилиден-4-бутиланилина СН_з-0-С₆Н₄-С=N- С₆Н₄-С₄Н₉(МББА) по форме похожи на стержни. Наличие 2 или 3 бензольных колец в молекуле типично для ЖК. Если молекулы содержат одно бензольное кольцо, то структурной единицей стержнеобразной формы оказываются двойные связанные молекулы. Вместо бензольных колец в молекулах ЖК встречаются циклогексановые, бициклооктановые, гетероциклические фрагменты. Центральные мостики, связывающие кольца и концевые фрагменты, разнообразны. Известны также полимерные ЖК, в которых жидкокристаллическая структура образуется либо стержнеобразными фрагментами основных цепей молекул (линейные полимеры), либо боковыми цепями, присоединенными к основной цепи гибкими связями (гребнеобразные полимеры).

В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают 3 основных типа ЖК: смектические, нематические и холистерические (рис.8.4). В смектиках (S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектического слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом к слою (наклонные смектики). Кроме того, возможно и упорядоченное расположение в слоях. Нематаки (N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при котором длинные оси молекул расположены однонаправлено при беспорядочном расположении центров тяжести молекул.

В холистериках (Chol) молекулы расположены так же, как в нематиках, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью с шагомL.

Своеобразная структура ЖК, обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении молекул с их высокой подвижностью, определяет широкую область их практического использования. Особенно интересны оптические свойства ЖК. В них реализуется оптическая анизотропия, определяющая существование особых направлений - оптических осей. Направление оптической оси легко изменить с помощью небольшого энергетического воздействия, например, электрического поля. Для управления оптическими свойствами ЖК требуются весьма малые напряжения. Существует определенный порог разности потенциалов (около 1 В), выше которого уже нетрудно управлять оптической осью. Это объясняется тем, что все молекулы ЖК взаимосвязаны и ориентированы одинаково, и достаточно повернуть одну из них, чтобы весь коллектив молекул изменил свою ориентацию.

Жидкокристаллические индикаторы находят широкое применение для отображения оптической информации и используются в огромном количестве электронных приборов и устройств.