Влияние электрических полей на структуру образования жидких кристаллов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Таким образом, в данном методе предполагается настройка на резонансную частоту собственной частоты источника и частоты участка линии, расположенном от места установки аппаратуры до места повреждения. По этой причине данный метод иногда называют резонансным. Недостатком данного метода является необходимость наличия сложной и дорогостоящей аппаратуры, поэтому хоть метод стоячих волн известен давно, но широкого распространения на практике он не получил, а предпочтение отдается импульсным методам [3].

Литература

1. Бурчевский В. А. и др. Дистанционное определение места повреждения в распределительных сетях методом стоячих волн // Омский научный вестник, 2009. №. 3-83.

2. Владимиров Л. В., Ощепков В. А., Суриков В. И. Алгоритм и методика определения места повреждения в распределительных сетях электроэнергетических систем методом стоячих волн // Омский научный вестник, 2011. № 3-103.

3. Катеров Ф. В., Ремесник Д. В. Особенности энергетических систем // Научный журнал, 2016. № 8 (9). С. 23-25.

4. Катеров Ф. В., Ремесник Д. В. Виды режимов энергетических систем // Научный журнал, 2016. № 8 (9). С. 22-23.

Effect of electric fields on the structure formation of liquid crystals

Faizullina S.1, Khakimzyanov D.2 (Russian Federation)

Влияние электрических полей на структуру образования жидких

кристаллов 12 Файзуллина С. С. , Хакимзянов Д. М. (Российская Федерация)

1Файзуллина Сюмбель Сабирзяновна /Faizullina Sumbel - магистр, кафедра технической химии и материаловедения, инженерный факультет, Башкирский государственный университет; 2Хакимзянов Динар Мылтыкбаевич / Khakimzyanov Dinar - магистр, кафедра нефтехимии и химической технологии, технологический факультет, Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа

Аннотация: в статье анализируется влияние внешних электрических полей на структуру образования жидких кристаллов. Это существенно искажает ориентацию директора и является причиной целого ряда новых эффектов, в частности флексоэлектричество. Abstract: this article analyzes the influence of external electric fields on the structure of the formation of liquid crystals. This significantly distorts the orientation of the director and is responsible for a number of new effects, in particular flexoelectricity.

Ключевые слова: диэлектрическая анизотропия, пьезоэлектрический эффект, флексоэлектричество.

Keywords: dielectric anisotropy, the piezoelectric effect, flexoelectricity.

Действие электрических полей на структуру образования жидких кристаллов обусловлено энергетическими причинами.

Плотность свободной энергии, связанная с влиянием электрического поля на жидкие кристаллы, записывается следующим образом:

FB = — — е,Е2 — — Де (1),

Б 8ж 8ж V ''

где Де = е — е±- диэлектрическая анизотропия.

25

Рассматривая член, зависящий от взаимной ориентации директора и электрического поля, получим, что для жидких кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией энергетически выгодной является такая ориентация, при которой директор направлен по полю. Для жидких кристаллов с отрицательной диэлектрической анизотропией выгодна ориентация, когда директор перпендикулярен направлению электрического поля. Ориентационное влияние электрического поля осложняется электропроводностью жидких кристаллов. Последняя также анизотропна и поэтому может вызвать движение вещества и перераспределение электрических полей. Всё это существенно искажает ориентацию директора и является причиной целого ряда новых эффектов [1, с. 405-408].

Взаимодействие внешнего электрического поля со средой жидких кристаллов включает два различных процесса. Один связан с анизотропией диэлектрической проницаемости: она приводит к изменению конформаций молекул ЖК, в частности к искажению. Второй эффект: в деформированных жидких кристаллах может проявиться и диэлектрическая поляризация.

Величина статистической диэлектрической проницаемости, измененной вдоль (£ ц) или поперек (е± ) оси жидкого кристалла, различны. Направление электрического поля E, соотношение между электрической индукцией D и полем имеет вид:

D = e±E+ (е|| - е±) (nE)n (2).

2Де = е|| — е± - диэлектрическая анизотропия, может быть положительной или отрицательной в зависимости от особенностей химической структуры молекул, составляющих жидкий кристалл:

1. Если каждая молекула обладает постоянным дипольным моментом, параллельным (или почти параллельным) ее продольной оси, электрическое поле Е может эффективно ориентировать диполь вдоль оси ЖК. Но полная Е перпендикулярно n действует очень слабо. В этом случае .

2. Если имеется постоянный дипольный момент, который более или менее перпендикулярен длинной оси, то ситуация будет обратной и

Диэлектрическая анизотропия дает возможность ориентировать жидкий кристалл электрическим полем.

В некоторых твердых телах напряжение вызывает поляризацию Р. Источником напряжения может служить внешнее давление. Следовательно, эффект называется пьезоэлектрическим. В жидких кристаллах поляризацию может создать продольный или поперечный изгиб (flexure), поэтому известно оно как «флексоэлектричество». Флексоэлектрический эффект в жидких кристаллах, как известно, возникает вследствие линейной связи ориентационной деформации директора n и электрической поляризации P. В планарных слоях НЖК флексоэлектрическая неустойчивость проявляется как статическая пространственно-периодическая деформация поля директора n, наблюдаемая в виде доменной структуры, так что доменные линии параллельны исходному направлению директора.

В холестерических ЖК и в закрученных НЖК также наблюдается флексоэлектрическая неустойчивость, которая обладает целым рядом особенностей по сравнению с планарными слоями, что связано с влиянием неоднородности распределения поля директора [2, с. 114].

Рассмотрим структурно-фазовые превращения в ЖК-ячейке. Порог образования продольных доменов не зависит от полярности приложенного напряжения и толщины ЖК-ячейки и равен Uc= 2,4V, а период доменной структуры возрастает линейно с увеличением толщины ЖК-слоя X/d = 2,5 ± 0,1. Наблюдение за примесными частицами показало, что в пороге образования флексоэлектрической неустойчивости частицы остаются неподвижными, что указывает на стационарный характер деформации директора. С увеличением напряжения до U ~ 2,74V примесные частицы начинают вращаться в направлении перпендикулярном оси продольных доменов. Это свидетельствует о возникновении гидродинамического потока внутри флексоэлектрических доменов.

Чтобы описать физический эффект, количественно, сконструируем наиболее общий вид поляризации , которая индуцируется небольшим искажением. Пусть, пропорционален

пространственным производным первого порядка директора n. Высшие производные будут меньше в соответствии с отношением и пренебрежимо малы в континуальном пределе. Далее, должно быть четной функцией n, поскольку, как уже неоднократно указывалось, состояния n и —n эквивалентны. Наконец, должно преобразовываться как вектор. Наиболее общий вид , удовлетворяющий этим требованиям, есть

Pd = e-ji(div n) + eз (ro t n) x n (3). Сюда входят два коэффициента и с размером электрического потенциала и произвольным знаком. Mbi назовем их флексоэлектрическими коэффициентами. У молекул, которые асимметричны по форме и обладают большим электрическим дипольным моментом це, флексоэлектрические коэффициенты могут достигать значений порядка це /а2, где a — характерный молекулярный размер. Во всех других случаях, и в частности, если молекулы не имеют постоянного момента и будут меньше. В принципе и можно найти из экспериментов двух типов:

1). Измеряя поляризацию (или поверхностные заряды), индуцируемую заданным искажением.

2). Используя обратный эффект. Если электрическое поле E приложено к монокристаллу ЖК, упорядочение может исказиться, поскольку соответствующее искажение может создать поляризацию , параллельную E. Принцип прост. Образец ограничен двумя параллельными стеклянными пластинами, обработанными лецитином для получения гомеотропной текстуры. Но для предлагаемой интерпретации эксперимента необходимо, чтобы граничные условия не соответствовали сильному нормальному сцеплению: угол между молекулами и поверхностью не должен быть фиксирован. Электрическое поле приложено в плоскости слоя. Однако на практике наблюдается искажение. Такое искажение является естественным следствием флексоэлектрического эффекта, если предположить, что на обеих граничных поверхностях имеет место слабое сцепление [3, с. 195].

Основные выводы:

1. Действие электрических полей на структуру образования жидких кристаллов обусловлено энергетическими причинами.

2. Первой неустойчивостью, возникающей в планарном слое НЖК MББА в постоянном электрическом поле, является флексоэлектрическая, которая приводит к формированию системы продольных доменов. Образование продольных флексоэлектрических доменов обусловлено, прежде всего, наличием двойного электрического слоя вблизи электродов ЖК-ячейки.

Литература

1. Кондратьев Д. В. Ориентационные эффекты в нематических жидких кристаллах со stripe-подложкой I Д. В. Кондратьев, Н. Г. Mигранов II Mатериалы XVI Mеждународной конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам (ВMСППС'2009), 25-31 мая 2009 г., Алушта. M.: MАИ ПРИНТ, 2009. С. 405-408.

2. De Gennes P. G. The physics ofliquid crystals. Clarendon Presa. Oxford, 1974. P. 114.

3. Johnson J., Porter R. Orsay liquid crystal group // Liquid crystals and ordered fluids, eds: Plenum Press, New York, 1970. P. 195.