l LABORATORIUM FIZYKI II					Ćwiczenie nr: 21
Wydział: WIM	Grupa: 2.1			Zespół: 2	Data wykonania: 13.11.2008
Nazwisko i Imię: Rakiel Piotr						Przygotowanie:
Sprawozdanie przyjęto:		Data:	Podpis:
Prowadzący:

Badanie przejść fazowych i właściwości elektrooptycznych ciekłych kryształów.

1. Podstawowe wiadomości o świetle.

Światło jest to fala elektromagnetyczna o długości fali zawartej w przedziale 400-700 nm. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni jest równa c = 299792458 m/s. Wyżej opisaną fale nazywamy falą niespolaryzowaną.

Światło może być spolaryzowane kołowo, liniowo lub eliptycznie. Polaryzacja liniowa ma miejsce gdy drgania wektora natężenia pola elektrycznego zachodzą tylko w jednej płaszczyźnie zawierającej kierunek jego rozchodzenia się. Wtedy drgania wektora H natężenia pola magnetycznego odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny polaryzacji. Gdy koniec wektora natężenia pola elektrycznego fali opisuje linię śrubową kołową lub eliptyczną mówimy o świetle spolaryzowanym kołowo lub eliptycznie. Światło spolaryzowane liniowo można otrzymać za pomocą polaryzatorów dwójłomnych,

polaryzatorów odbiciowych oraz błon polaryzujących.

Polaryzacja światła.

Światło ma naturę korpuskularno-falową. Znaczy to, że w pewnych warunkach światło zachowuje się jako fala (ulega dyfrakcji i interferencji), a w innych jako cząstka (foton) o energii E = hν i pędzie p = h/λ (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, efekt tworzenia par).

2. Badanie nematyka planarnego o anizotropii dielektrycznej dodatniej, za pomocą transmisyjnego mikroskopu polaryzacyjnego w skrzyżowanych polaryzatorach:

Nematyki- są to związki, w których jedynym ograniczeniem ułożenia molekuł jest warunek równoległości długich osi. Istnieje jednak pewien rozrzut kierunków długich osi ze względu na drgania termiczne. Średni kierunek długich osi molekuł jest wyznaczony przez jednostkowy wektor uporządkowania n. Lepkość nemetyków jest mała, porównywalna z lepkością mleka.

Uporządkowanie dalekiego zasięgu podłużnych molekuł ciekłych kryształów nazywamy anizotropią właściwości fizycznych ciekłych kryształów. Takie uporządkowanie powoduje silną anizotropowość tzn. kierunkowość wielu właściwości fizycznych, szczególnie optycznych. Materiały te mają charakter cieczowy i dużą swobodę reorientacji molekuł co umożliwia łatwe sterowanie tymi właściwościami za pomocą stosunkowo słabych zewnętrznych pól np. elektrycznych. Zmiany właściwości optycznych ciekłych kryształów można spowodować już po przyłożeniu do nich napięcia kilku woltów, gdy dla osiągnięcia porównywalnych zmian w kryształach należy przyłożyć napięcia rzędu kilkuset woltów.

W naszym ćwiczeniu mieliśmy do dyspozycji nematyk o dodatniej anizotropii i teksturze planarnej. Przykładając słabe zewnętrzne pole elektryczne do nematyka zauważamy, że długie osie molekuł pozostają równoległe do płytek ograniczających. Zwiększając natężenie pola, trwałe (lub indukowane) momenty dipolowe zmieniają orientację na równoległą do kierunku pola. Znaczy to, że długie osie molekuł stają się prostopadłe do powierzchni płytek. Zjawisko to można zaobserwować, umieszczając badaną komórkę między dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami.

W pierwszej fazie obserwacji pole obserwowane jest rozjaśnione ponieważ kierunek rozchodzenia się światła nie jest równoległy do osi optycznej (długich osi molekuł), co powoduje, że następuje rozdzielenie promienia na zwyczajny i nadzwyczajny (dwójłomność optyczna). Gdy wartość pola elektrycznego przekracza wartość progową zauważamy zaciemnienie pola widzenia. Staje się tak ponieważ kierunek rozchodzenia się światła jest równoległy do osi optycznej i efekt dwójłomności nie jest widoczny.

Gdy przez warstwę ośrodka dwójłomnego przepuścimy światło spolaryzowane liniowo w kierunku nie pokrywającym się z kierunkiem osi optycznej uzyskujemy m.in. skręcenie płaszczyzny polaryzacji. Wielkość ta zależy od takich czynników, jak kąt między osią optyczną i kierunkiem rozchodzenia światła, wielkością anizotropii, współczynnika załamania i grubość warstwy. Gdybyśmy mieli doczynienia z materiałem izotropowym wtedy nastąpiłoby całkowite wygaszenie fali świetlnej. Obserwowane pole widoczne byłoby jako czarne tło. Ple widzenia jest rozjaśnione jednak wtedy gdy między skrzyżowanymi polaryzatorami znajduje się odpowiednio zorientowany materiał dwójłomny.

Schemat układu wykorzystywanego w badaniach.

3. Przedstawienie zasady działania wyświetlacza ciekłokrystalicznego z nematykiem skręconym o anizotropii dielektrycznej dodatniej.

Efekt skręconego nematyka- w komórce umieszczony jest nemetyk o dodatniej anizotropii dielektrycznej i teksturze skręconego nemetyka. Przyłożone słabe pole elektryczne wymusza taki obrót molekuł, aby ich długie osie ustawiły się równolegle do kierunku pola. Oznacza to przejście do struktury homeotropowej.

Ciekłokrystaliczny wyświetlacz składa się z polaryzatorów skręconych względem siebie o 90⁰, umieszczonego między nimi ciekłego kryształu i folii odblaskowej, która umożliwia powrót wiązki światła. Ciekły kryształ leży pomiędzy szklanymi płytkami, do których przylegają przezroczyste elektrody.

Podczas braku pola elektrycznego (skręcenie płaszczyzny polaryzacji o 90⁰) światło padające na wyświetlacz przechodzi przez ciekły kryształ i powraca po odbiciu od folii odblaskowej. Dzieje się tak, ponieważ kierunek rozchodzenia się światła nie jest równoległy do osi optycznej substancji i następuje rozdzielenie światła na promień zwyczajny i nadzwyczajny. Światło jest jaśniejsze ze względu na strukturę skręconego nematyka (w obszarze pomiędzy płytkami poszczególne warstwy nematyka są obrócone względem siebie o niewielki kąt; molekuły przylegające do dolnej powierzchni obrócone są w stosunku do molekuł sąsiadujących z drugą płytką o 90⁰). Po włączeniu pola elektrycznego tworzy się struktura homeotropowa, która powoduje, że światło zostaje wygaszone i rozproszone w dolnym polaryzatorze.

4. Badanie przejść fazowych:

Anizotropia - wykazywanie odmiennych właściwości (rozszerzalność termiczna, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła) w zależności od kierunku. Ciała anizotropowe wykazują różne właściwości w zależności od kierunku, w którym dana właściwość jest rozpatrywana.

Izotropia - cecha charakterystyczna ciał niekrystalicznych, polegająca na tym, że we wszystkich kierunkach wykazuje on te same właściwości fizyczne, np. rozszerzalność cieplną, przewodnictwo elektryczne i cieplne, łupliwość, twardość.

Ciekłe kryształy są fazą przejściową występującą w zakresie temperatur. Temperatura ta jest różna dla różnych związków ciekłokrystalicznych. Poniżej pewnego zakresu mają postać krystaliczną, powyżej są typowymi izotropowymi cieczami.

W doświadczeniu naszą badaną próbką była próbka typu „sandwich” a dokładnie smektyk, który charakteryzuje się tym że, molekuły będące w równowadze względem siebie tworzą warstwy. Po włożeniu próbki pomiędzy skrzyżowane polaryzatory światło przepływa czego następstwem jest rozjaśnienie monitora komputera. Zjawisko to jest możliwe do zaobserwowania gdy próbka jest w stanie stałym tj. w temp. pokojowej. W trakcie ogrzwania (podnoszenia temperatury) następuje przejście ze stanu stałego w ciekły w temp. 41^oC i wykazuje właściwości izotropowe tzn. światło nie przepływa, na monitorze jest zaciemniony obraz. Podczas chłodzenia próbki, kryształ zmienia właściwości izotropowe na anizotropowe w momencie przejścia w stan stały tj. w temp. 30,4­­^oC.

5. Wnioski

Ciekłe kryształy reagujące na prąd elektryczny o małym napięciu mają szerokie zastosowanie w elektrooptyce (wyświetlacze ciekłokrystaliczne). Właściwości anizotropowe i izotropowe ciekłych kryształów pozwalają rozjaśniać i zaciemniać obraz poprzez odpowiednią regulację.

---