Экспериментальное исследование главных значений диэлектрической проницаемости и электропроводности НЖК Н-8 в зазоре 2 мм

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Л.Н.Толстого

 

 

                                                                                    Кафедра общей и теоретической физики                

                                                                                                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на тему: 

Экспериментальное исследование главных значений диэлектрической проницаемости и электропроводности НЖК Н-8 в зазоре 2 мм.

 

 

                                                                               Выполнена: студентом группы 5 «Д»

                                                                                                     очной формы обучения

                                                                                                     факультета математики,

физики и информатики

Изгаршевой Натальей Константиновной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула – 2008

 

Работа выполнена на факультете математики, физики и информатики  ТГПУ

им. Л.Н.Толстого

 

Научный руководитель – Грибков  Александр Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики.

 

_____________  А.И. Грибков  

 

Работа допущена к  защите:

Заведующий кафедрой общей и теоретической физики кандидат физико-математических наук, профессор.

 

 

_____________  Ю.Ф.Головнев  

 

Рецензенты:

Головнев Юрий Филиппович -  кандидат физико-математических наук, профессор  кафедры общей и теоретической физики.

 

 

Защита состоится «» июня 2008 г.  в учебном корпусе №3 ТГПУ им. Л.Н. Толстого, ауд. № в часов.

 

 

Декан факультета математики, физики и информатики

 

  _____________ А.Е. Устян 

Содержание

 

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	4
Глава 1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	6
Строение жидких кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	6
1.2. Диэлектрическая проницаемость  и электропроводность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	9
1.3. Диэлектрическая проницаемость  жидких кристаллов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	12
1.4. Электропроводность жидких кристаллов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	14
1.5. Влияние электрического и  магнитного  полей на НЖК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15
1.6. Типы измерительных конденсаторов  и роль паразитных параметров. . . . . . . . . . . . . .	17
1.7. Методы измерения диэлектрической  проницаемости ЖК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	20
Глава 2. Описание хода эксперимента и результаты измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	23
2.1. Методика исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов. . . . . . . . . . . . .	23
2.2. Описание экспериментальной  установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24
2.3. Экспериментальное исследование  диэлектрических свойств НЖК. . . . . . . . . . . . . . . . .	25
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	31
Список используемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	32

 

 

Введение

Актуальность проблемы. Жидкокристаллические индикаторы после калькуляторов, электронных часов и мобильных телефонов уверенно завоевывают мировой рынок в качестве более сложных устройств отображения информации -мониторов ПК и ноутбуков, экранов для телевизоров (ТВ). Последние международные научные разработки доказали, что кожа человека по своему строению имеет жидкокристаллическую структуру. Липидные (жировые) пласты верхнего рогового слоя кожи неоднородны: есть участки, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты (НЖК), образующие твердокристаллическую фазу рогового слоя, а есть участки, где преобладают полиненасыщенные жирные кислоты, которые образуют жидкокристаллическую фазу. Исследование свойств жидких кристаллов (ЖК) и их растворов представляет интерес, как в научном, так и прикладном аспекте. Принцип действия ЖК-индикаторов основан на разнообразных электрооптических свойствах жидкокристаллических веществ. Быстродействие данных устройств отображения информации связано с быстротой ориентации жидкокристаллического материала внешним воздействием.[10] Определённый интерес представляют исследования диэлектрических свойств ЖК. Самостоятельный интерес представляют эксперименты при малых зазорах (d) измерительной ячейки, что успешно реализуется в методах радиодиэлектрической спектроскопии.[16]

Экспериментальные исследования диэлектрических  свойств жидких кристаллов позволяют  получать результаты, которые можно  использовать для уточнения структуры жидких кристаллов и кинетических процессов, связанных с переориентацией директора в макроскопических объемах жидкого кристалла.[5]

 

Цель работы. Экспериментальное исследование главных значений диэлектрической проницаемости и электропроводности НЖК Н-8 в зазоре 2 мм. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

- анализ литературы;

- знакомство с экспериментальной  установкой;

- исследование главных значений диэлектрической проницаемости и электропроводности в статическом поле при различных температурах;

- анализ результатов измерений;

 

Вклад автора. Автором работы внесён вклад в постановку задач, проведение исследования и анализ полученных данных.

Реализация результатов  работы. Полученные в работе результаты могут быть использованы для уточнения структуры жидких кристаллов и кинетических процессов, связанных с переориентацией директора в макроскопических объемах жидкого кристалла.

Структура. Дипломная работа состоит из содержания, введения, двух глав, заключения, списка используемой литературы и приложения.

Во введении обосновывается актуальность темы дипломной работы, формулируется её цель, говорится о реализации проделанной работы, излагается краткое содержание работы по главам.

В первой главе рассматривается строение жидких кристаллов, диэлектрическая проницаемость и электропроводность, диэлектрическая проницаемость жидких кристаллов, электропроводность жидких кристаллов, измерительные конденсаторы и роль паразитных параметров, методы измерения диэлектрической проницаемости ЖК.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, методике проведения измерений, изложены результаты экспериментальных исследований, проведён сравнительный анализ с результатами предыдущих исследований.

В заключении подводятся итоги проделанной работы.

 

 

 

Глава 1. Общие сведения

1.1. Общие сведения о строении жидких кристаллов

Жидкий кристалл — это  специфическое агрегатное состояние  вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностью внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. [3]

 Ориентация центров тяжести молекул не образовывает пространственную кристаллическую решётку, как в твердом кристалле. Форма молекулы не может быть сферически симметричной, иначе при произвольном расположении молекул невозможно выделить какое-либо направление, т.е. все направления будут одинаковы, а это уже изотропная структура жидкости. Следовательно, форма молекулы должна быть анизотропной.

Жидкий  кристалл можно получить двумя способами. Один из них обнаружил Рейнитцер, нагрев холестерилбензоат до определенной температуры.  Такие мезофазы впоследствии получили название термотропных жидких кристаллов. Существуют еще и лиотропные («лио» — растворять) жидкие кристаллы. Они образуются в процессе растворения твердокристаллических веществ.

Некоторые термотропные ЖК могут находиться в двух мезоморфных состояниях. При  этом структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твердокристаллическая фаза - смектическая - нематическая – аморфно-жидкая и являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода). Теплота перехода ЖК в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твёрдых кристаллов.[15]

      В зависимости от характера расположения молекул согласно классификации, предложенной Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение).[17]

Смектический тип жидких кристаллов (смектики – от греч. "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором . Директор каждого слоя не лежит в плоскости слоя, а образует с ним некоторый угол.

Нематический тип жидких кристаллов (нематики от греч. "нема" — нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул. При этом центры масс молекул расположены хаотично, длинные оси молекул нематика расположены приблизительно параллельно, и дальний порядок наблюдается только по отношению к их ориентации.

                                  

Рис.1.1.1. Строение нематика.

 

Типичными нематиками являются n–азоксианизол (сокращённо ПАА) и метоксибензилиден – n – бутиланилин (МББА).

Первое соединение, ПАА, принадлежит к классу азоксибензолов и обладает нематической мезофазой  в интервале температур 116˚С (Т_пл) – 136˚С (Т_пр).

МББА является нематиком при  комнатной температуре, Т_пл= 21˚С, Т_пр= 47˚С, это делает его очень удобным для исследований. Температура первого плавления Т_пл=21˚С. Ниже Т_пл МББА находится в обычном кристаллическом состоянии. От Т_пл до температуры просветления Т_пр=47˚С МББА обладает нематической жидкокристаллической фазой, и выше Т_пр – обычная (изотропная) жидкость.[18]

 Наиболее  сложный тип упорядочения молекул  жидких кристаллов холестерический  (холестерики), образуемый хиральными (оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом  углерода. Это означает, что такие  молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных молекул нематиков. Впервые холестерическая мезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда и произошло ее название. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок; они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений к нематикам.

Жидкие кристаллы - это континуальная среда с внутренней структурой. Одна из ее существенных особенностей, обусловленная стержнеобразной формой молекул, состоит в способности к самоорганизации и образованию упорядоченной структуры. Характерным признаком такой структуры является наличие направления преимущественной ориентации длинных осей молекул, определяемого единичным вектором — так называемым "директором". Феноменологически этот вектор описывает дальний порядок в расположении молекул, что позволяет, сообразуясь с его ориентацией по отношению к центрам масс молекул, классифицировать жидкие кристаллы. Второй особенностью жидких кристаллов является большая подвижность молекул, обеспечивающая высокую чувствительность этой среды к изменению распределения молекул в пространстве под действием различных внешних полей.[9]

 

1.2. Диэлектрическая проницаемость и электропроводность

При внесение в электрическое поле каких либо диэлектриков электрическое  поле изменяется. На первоначально  незаряженных диэлектриках в электрическом  поле возникают электрические заряды. На диэлектрике появляются электрические полюсы, отчего и само явление получило название поляризации диэлектриков. В диэлектриках заряды обоих знаков связаны друг с другом и могут смещаться на малые расстояния в пределах одной молекулы.