Воздействие электрических и магнитных полей

Характеристики многих электрооптических ЖК-устройств определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Связывают это со структурными особенностями ЖК и с поляризуемостью его молекул.

Так, для нематика используют две основные ориентации молекул: параллельно поверхности ячейки и перпендикулярно ей. На рис 11.2 показаны два типа ЖК-ячеек: планарная (рис 11.2, а) и гомеотропная (рис. 11.2, б).

Для технических применений ЖК важным является возможность изменять ориентацию молекул, например, под воздействием электрического поля.

Впервые воздействие электрических и магнитных полей на ЖК было исследовано русским физиком В.К. Фредериксом.

а)

б)

Опорные поверхности

Рисунок 11.2. Жидко-кристаллические ячейки с пленками нематиков, расположенных между стеклянными опорными поверхностями:
а) планарная; б) гомеотропная

Эффект изменения ориентации молекул нематика во внешнем электрическом поле с планарной на гомеотропную называют эффектом Фредерикса.

В материале с положительным значением диэлектрической проницаемости (положительной диэлектрической анизотропией) молекулы будут стремиться повернуться вдоль направления электрического поля (рис.11.2, б), в материале с отрицательной диэлектрической анизотропией — поперек направления поля (рис. 11.2, а). Угол поворота, соответственно, будет зависеть от приложенного напряжения.

Для нематиков этот эффект носит пороговый характер. Критическое значение напряжения электрического поля:

, (11.2)

где K – коэффициент упругости ЖК (параметр для конкретного ЖК);

- анизотропия диэлектрической проницаемости ЖК;

- диэлектрическая проницаемость, когда поляризация света параллельна директору;

- диэлектрическая проницаемость, когда поляризация света перпендикулярна директору.

Выше V_c изменения структуры быстро достигают насыщения.

Ориентационное действие электрического поля величиной Е проявляется на протяжении электрической когерентной длины, отсчитываемой от опорной поверхности:

. (11.3)

Используемые пленки нематика должны иметь толщину меньше 2λ_К (около 10 мк).

Холестерики чувствительны к магнитному, электрическому полям, температуре, примесям и т.д. При этих воздействиях меняется шаг спирали холестерика. Так увеличение электрического поля увеличивает шаг спирали. Этот эффект также носит пороговый характер – при достижении порогового значения напряженности электрического поля Е_р спираль распрямляется. Значение порогового напряжения определяется по формуле

(11.4)

где р₀ – шаг холестерической спирали в отсутствии воздействия.

Если шаг спирали р при приложении внешнего поля изменяется несущественно по сравнению с р₀ (порядка 5 %, т.е. р <1,05 р₀), величину шага можно оценить по формуле

(11.5)

Отсюда значение напряженности электрического поля для получения необходимого шага спирали можно оценить по формуле

(11.6)

Если шаг спирали р при приложении внешнего поля изменяется существенно (р >1,05 р₀), то зависимость р(Е) становится сильно выраженной. В этом случае величину шага можно оценить по формуле

(11.7)

Оценку напряженности электрического поля Е по известному шагу спирали р холестерика производят по формуле

(11.8)

Таким образом, при приложении поля холестерическая спираль начинает постепенно раскручиваться, при этом шаг спирали увеличивается, четко "отслеживая" величину поданного напряжения. Это означает, что можно непрерывно управлять и цветом холестерического слоя жидкого кристалла. При некотором так называемом критическом напряжении поля спираль можно полностью раскрутить, превратив, таким образом, холестерический ЖК в нематический (один из видов эффекта Фредерикса).

Процесс раскрутки спирали в настоящее время активно используется в цветных плоских экранах (гиперссылка 11.5) с электронной системой управления.

Контрольные вопросы

1. Что такое жидкие кристаллы (ЖК)?

2. В чем различие и сходство между ЖК, жидкостями и кристаллами?

3. Какие типы ЖК Вы знаете? Какова их структура?

4. Что определяет основные свойства ЖК?

5. Как определяется величина оптической и диэлектрической анизотропии?

6. Поясните эффект двойного лучепреломления в ЖК.

7. В чем заключается эффект селективного отражения холестериков?

8. Чем отличаются планарная и гомеотропная ориентации нематиков?

9. В чем заключается эффект Фредерикса?

10. Как изменяется структура холестериков при изменении электрического поля?