KRYSZTAŁY
advertisement
KRYSZTAŁY.doc (53 KB) Pobierz POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA : TECHNOLOGII PODZESPOŁÓW I SPRZĘTU ELEKTRONIC ZNEGO SPRAWOZDANIE Z TEMAT: CIEKŁE KRYSZTAŁY WYCHOWANIE TECHNICZNE ROK III SEM.V GRUPA ALEKSANDRA BITENC ARTUR NOWAK JOANNA MRÓWKA OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW. Ogólną dla wszystkich rodzajów ciekłych kryształów właściwością jest zjawisko podwójnego załamania światła (dwójłomność),charakterystyczne dla niektórych kryształów stałych. Jedną z metod identyfikacji stanu mezomorficznego jest właśnie sprawdzenie, czy badana ciecz jest dwójłomna. Inną właściwością ciekłych kryształów, charakterystyczną dla grupy cholesterolowej, jest skręcanie płaszczyzny polaryzacji. Jeśli liniowo spolaryzowane światło przepuszczać przez substancję w stanie mezomorficznym cholesterolowym prostopadle do warstw molekularnych, to kierunek drgań wektora elektrycznego fali świetlnej będzie na ogół skręcany w lewo. Ulega więc skręcaniu w lewo płaszczyzna drgań światła. Kąt skręcania jest proporcjonalny do grubości warstwy materiału, przez który przenika światło. Właściwość taką, jak wiadomo, wskazują niektóre kryształy stałe i pewne roztwory zawierające molekuły asymetryczne, np. cukry. Substancje takie nazywamy aktywnymi optycznie. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła przez te substancje wynosi zazwyczaj około kilkudziesięciu stopni na milimetr drogi sygnału świetlnego, ciekłe kryształy cholesterolowe natomiast skręcają płaszczyznę polaryzacji światła nawet o 18 000 na milimetr drogi, są więc nadzwyczaj aktywne optycznie. Oświetlone wiązką niespolaryzowanego światła białego ciekłe kryształy cholesterolowe mają charakterystyczne tęczowe zabarwienie. Zabarwienie zależy od rodzaju substancji, jej temperatury i od kąta, pod którym pada wiązka światła białego. Wiązka po dojściu do powierzchni ciekłego kryształu rozszczepia się na dwie wiązki składowe spolaryzowane kołowo o przeciwnych kierunkach obrotu wektorów elektrycznych. Jedna z tych składowych przenika w głąb ciekłego kryształu, druga zaś zostaje odbita od jego powierzchni. Pojawia się charakterystyczna barwa preparatu ciekłego kryształu. Występowanie w ciekłych kryształach uporządkowania molekuł dalekiego zasięgu powoduje anizotropię ich właściwości elektrycznych i magnetycznych, charakterystyczną dla kryształów stałych. W odróżnieniu jednak od kryształów stałych siły oddziaływania między molekułami są tu znacznie mniejsze. Energia związana z deformacją w ciekłych kryształach jest mała, więc ich struktura molekularna może być łatwo zmieniona pod wpływem pól elektrycznych i magnetycznych o niewielkich natężeniach. Do zmiany tej struktury wystarczą także niewielkie zmiany termiczne lub zmiany naprężeń mechanicznych działających na ciekły kryształ. Zmianom struktury molekularnej ciekłych kryształów towarzyszy zmiana ich właściwości optycznych, gdyż efektami wtórnymi zmian uporządkowania molekuł są zmiany stopnia przepuszczania i odbicia wiązki światła, dichroizmu kołowego, dwójłomności, aktywności optycznej i zabarwienia. Wynika stąd łatwość sterowania tymi właściwościami, zwłaszcza w przypadku ciekłych kryształów cholesterolowych, których równowaga może być naruszona nawet przez bardzo słabe oddziaływania zewnętrzne; zmiana ich zabarwienia występuje także pod wpływem minimalnych zmian temperatury. WŁAŚCIWOŚCI TERMICZNE CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW. Fluktuacje są niezmiernie charakterystyczną cechą ciekłych kryształów i każdy, kto chociaż raz oglądał te substancje pod mikroskopem, widział tutaj wieczny ruch drgający wywołany przez fluktuacje. Lepkość decydująca o cechach ciekłości ciekłych kryształów jest bardzo ważnym parametrem z punktu widzenia zastosowań praktycznych tych materiałów, zwłaszcza przy ocenie przydatności określonych substancji ciekłokrystalicznych do budowy elementów elektrooptycznych. Badania lepkości ciekłych kryształów prowadzone były już przed przeszło czterdziestu laty w Krakowie przez prof. Mariana Mięsowicza. Jego sposób opisu lepkości nematyków oraz wyniki pomiarów tej lepkości nadal pozostają aktualne. FLUKTUACJE. Cienka warstwa nematyka, smektyka czy cholesterolowego ciekłego kryształu oglądana przez mikroskop, najlepiej w świetle spolaryzowanym wygląda jak zbiór migających punkcików, bardzo szybko powstających i równie szybko ulegających rozpadowi. W obrazie mikroskopowym widoczne jest „rojenie” zupełnie podobne do tego jakie obserwuje się w obrazie na ekranie telewizora. Rojenie to jest wywołanie przez ciągle powstające i szybko zanikające fluktuacyjne zgęszczenia ciekłego kryształu oraz fluktuacyjne zmiany w położeniu lokalnego kierunku „direktora”. Ten wieczny ruch na przemian ciemnych i jasnych punktów odbywa się bardzo szybko, co znacznie utrudnia sfotografowanie obrazu fluktuacji za pomocą mikroskopu. Ciekłe kryształy są prawdopodobnie jedynymi substancjami, w których ruchy fluktuacyjne są równe wyraźnie i bezpośrednio widoczne. Dzieje się tak dzięki ich płynności, a więc łatwości przemieszczeń molekuł oraz dzięki dwójłomności optycznej tych substancji powodującej, że lokalne zmiany gęstości czy zmiany uporządkowania odbijają się na ich lokalnych właściwościach optycznych. Fluktuacyjne niejednorodności ciekłych kryształów powodują intensywne rozpraszanie światła, przy czym światło rozproszone jest silnie zdepolaryzowane. Fluktuacje termiczne powstają we wszystkich rodzajach ciekłych kryształów, najlepiej są jednak widoczne w smektykach C. Jak dotychczas, najlepiej zbadane zostały fluktuacje w nematykach. Zasadniczym rodzajem ruchu fluktuacyjnego w ciekłych kryształach są lokalne, szybkie odchylenia „direktora” od położenia równowagi. Zmianom położenia „direktora” towarzyszą także wolnozmienne ruchy falowe i podstawowym rodzajem drgań fluktuacyjnych jest kombinacja obu tych drgań. Dzięki istnieniu silnych ruchów fluktuacyjnych ciekłe kryształy stale znajdują się w stanie podobnym do operacji krytycznej. Badanie światła rozproszonego na opalizujących warstwach cieczy dostarcza informacji o amplitudzie fluktuacji oraz o ich kinetyce. W temperaturach powyżej punktu klarowania utrzymują się jedynie drgania fluktuacyjne o dużych częstotliwościach. W fazie izotropowej, gdy temperatura nie jest zbyt wysoka, tworzą się fluktuacyjne krótkotrwałe agregaty o strukturze właściwej ciekłym kryształom. Takie fluktuacje, w wyniku których wewnątrz fazy wyjściowej powstają ziarna nowej fazy, noszą nazwę fluktuacji heterofazowych. Na podstawie badań rozpraszania światła stwierdzono, że ilość powstających ziaren ciekłokrystalicznych wewnątrz fazy izotropowej szybko maleje ze wzrostem temperatury. LEPKOŚĆ. Ze względu na anizotropowy charakter właściwości fizycznych ciekłych kryształów, opis ich lepkości jest bardzo trudny. Nawet w prostym przypadku przepływu nie zaburzonego (laminarnego) nie wystarcza podanie jednego tylko, jak dla cieczy izotropowych, współczynnika lepkości. Sytuacja znacznie się komplikuje, gdy w czasie ruchu lepkiego zostaną zaangażowane bardziej złożone deformacje ciekłego kryształu. W swojej pracy z 1937 r. M. Mięsowicz przypisał nematykom trzy współczynniki lepkości, charakteryzujące ich przepływ laminarny. Obecnie te współczynniki znane są w literaturze jako współczynniki lepkości Mięsowicza. Opis doświadczenia Mięsowicza: Warstwa ciekłego kryształu znajdowała się między dwoma ściankami, z których jedna była nieruchoma, druga zaś wykonywała powolny ruch posuwisty. Opory ruch płytki ruchomej były przedmiotem bezpośredniego pomiaru. Odpowiednio skierowane pole magnetyczne orientowało molekuły nematyka w zadanym kierunku. Prędkość ruchu przesuwającej się ścianki była na tyle mała, że mogły zostać pominięte zburzenia w orientacji molekularnej spowodowane ruchem ścianki. Można było przyjąć, że molekuły w czasie trwania ruchu miały stałą orientację w przestrzeni. Molekuły przylegające bezpośrednio do płytki ruchomej miały prędkość prawie równą prędkości płytki, natomiast molekuły znajdujące się w sąsiedztwie płytki nieruchomej pozostawały w bezruchu. Podstawy fizykochemiczne Wszystkie substancje spotykane w przyrodzie można zaliczyć do jednego z trzech stanów skupienia : Stanu ciekłego Stanu gazowego Stanu stałego Z kolei ciała stałe występują w przyrodzie w jednej z dwu postaci krystalicznej i amorficznej. Charakterystyczną cechą struktury krystalicznej jest regularne trójfazowe uporządkowanie zanikające dopiero po ogrzaniu do temperatury topnienia. W tym momencie następuje przemiana fazowa ciało stałe-ciecz. Ciecze nie wykazują uporządkowania przestrzennego i swobodnie przemieszczają się pod wpływem siły ciążenia. Odkryto również jednak substancje mogące istnieć w stanie pośrednim pomiędzy fazą stałą krystaliczną, a fazą zwykłej cieczy izotropowej. Stan pośredni zwany mezofazą lub stanem ciekłokrystalicznym występuje w nich jedynie w ściśle określonym przedziale temperatur ograniczonym z jednej strony temperaturą topnienia, a z drugiej strony temperaturą przemiany w ciekły kryształ – ciecz izotropowa. Ciekły kryształ cechuje się płynnością, podobnie jak ciecz izotropowa i anizotropia własności fizycznych, typową dla krystalicznych ciał stałych o regularnym ułożeniu molekuł. Przykładem substancji ciekłokrystalicznej jest związek o nazwie pentylo-cyjanobifenyl (PCB) C5H11 CN Cząsteczka PCB posiada cechy typowe dla ciekłych kryształów, a mianowicie bardzo wydłużony kształt oraz zdolność do polaryzacji (tworzenie się różnoimiennego ładunku elektrycznego na obu przeciwległych końcach) po umieszczeniu w polu elektr. Pod nieobecność zewnętrznego pola cząsteczki PCB rozmieszczone są chaotycznie jak w zwykłej cieczy, natomiast włączenie pola elektr. powoduje uporządkowanie cząsteczek wzdłuż linii jego działania. Ponieważ właściwości optyczne cząsteczki PCB tj. współczynnik załamania światła są różne dla kierunku wzdłuż i w poprzek jej długości tak samo różne są optyczne właściwości całej warstwy ciekłego kryształu w stanie chaotycznym i w stanie uporządkowanym. Opisany efekt znajduje praktyczne zastosowanie przy konstruowaniu wyświetlaczy i ekranów ciekłokrystalicznych powszechnie stosowanych w zegarkach i kalkulatorach. Najprostszym, a zarazem najnowszym rodzajem displeja tego typu jest displej PDLC (Polymer Dispersed Liquid Cristal) co oznacza ciekły kryształ rozproszony w polimerze. a) b) Jest on zbudowany z cienkiej warstwy stałego, przeźroczystego polimeru umieszczonego pomiędzy płaskimi, również przepuszczającymi światło elektrodami. W polimerze są równomiernie rozproszone drobne kropelki ciekłego kryształu o średnicy kilku mikrometrów. Taki displej w stanie wyłaczonym ma barwę mleczno białą w skutek rozproszenia światła w kroplach mających inny współczynnik załamania światła niż otaczający je polimer. Po włączeniu napiecia między elektrodami następuje ustawienie się cząsteczek w kroplach równolegle do siebie i tym samym współczynnik załamania światłą kropli ulega zmianie zbliżając się do wartości cechującej zewnętrzny polimer. W takim stanie diplej jest całkowicie przeźroczysty. W praktycznych zastosowaniach stosuje się dodatkowo domieszkę barwnika mającego podobnie jak ciekły kryształ cząsteczki o podłużnym kształcie. Wówczas displej ma intensywne zabarwienie w stanie wyłączonym (gdy barwnik rozproszony jest chaotycznie), natomiast staje się bezbarwny w obecności pola elektr. ponieważ cząsteczki barwnika ustawiają się pionowo. PRZEBIEG ĆWICZNIA: 1. elektrody komórki ciekłokrystalicznej połaczyliśmy do generatora wytwarzającego prostokątne impulsy elektr. o regulowanym napięciu i nastawianej częstotliwości 2. sprawdzenie wpływu częstotliwości na migotanie wyświetlacza 3. obniżając napięcie szukaliśmy jego min. progową wartość przy której daje się jeszcze zaobserwować działanie ciekłego kryształu SPIS PRZYRZĄDÓW: 1. PŁYTKA CIEKŁOKRYSTALICZNA 2. LED ŚWIECĄCY CZERWONY 3. GENERATOR CZĘSTOTLIWOŚCI 4. MIERNIK CYFROWY DM-320 5. ZASILACZ REGULOWANY 0-180 WYNIKI POMIARU: TRZY WARTOŚCI NASTAWIANEJ CZĘSTOTLIWOŚCI - f MINIMALNE NAPIĘCIE [V] PRZY KTÓRYM DAJE SIĘ JESZCZE ZAOBSERWOWAĆ DZIAŁNIE CIEKŁEGO KRYSZTAŁU f1 3,4 f2 3,9 f3 3,2 WNIOSKI: Celem ćwiczenia było sprawdzenie wpływu częstotliwości na migotanie wyświetlacza oraz wyznaczenie progowej wartości napięcia przy której da się zaobserwować działanie ciekłego kryształu ( wyznaczyć przez obniżanie napięcia). Zależność między napięciem , a efektem jest liniowa. Ćwiczenie przebiegało bez komplikacji, lecz gdy próbowaliśmy powtórzyć pomiar przy tych samych parametrach progowe wartości napięcia różniły się od poprzednich. Plik z chomika: o__0 Inne pliki z tego folderu: Backup_of_kąpiele cyjankowe.cdr (16 KB) cyjanowanie.doc (53 KB) KRYSZTAŁY.doc (53 KB) KONDENSATORY.doc (14 KB) KRYSZTAŁY1.doc (10 KB) Inne foldery tego chomika: 1 2 AmiPro kasku materialy Zgłoś jeśli naruszono regulamin Strona główna Aktualności Kontakt Dział Pomocy Opinie Regulamin serwisu Polityka prywatności Copyright © 2012 Chomikuj.pl
