Работа 7

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭФФЕКТА ДРС.

Времена возникновения и исчезновения эффекта ДРС являются важной характеристикой индикаторных устройств, использующих это эффект. Обычно временные характеристики исследуют, прикладывая к образцу жидкого кристалла прямоугольные импульсы напряжения V. Световой отклик, связанный с возникновением рассеивающего состояния, имеет довольно сложную форму; причём, она зависит от условий регистрации, т.е. конструкции электрооптической установки, ориентации образца, поляризации света. Примерный вид сигнала показан на рис. 1.

После наложения прямоугольного импульса уменьшение света пропускания начинается не сразу, а через интервал времени τ ₃ (время задержки). Затем светорассеивание I быстро увеличивается и достигает максимальной при данной напряжении величины. Далее сигнал I(t) испытывает некоторые изменения, показывающие, что процесс создания светорассеивающей структуры продолжается. После отключения поля светорассеивающая структура медленно возвращается в исходное состояние.

Определение времени протекании слабо и непрерывно изменяющихся процессов обычно производится по определённым правилам. В приложениях (экраны, матричные индикаторы, аттенюаторы) точные функциональные зависимости времени отклика от напряжения, длительности импульса не столь важны, как при проведении научных исследований.

Стандартный метод оценки τ ₃, τ _реак, τ _рел хорошо пригоден для сравнительно высоких рабочих напряжений (50 В и более), когда амплитуда сигнала А быстро достигает насыщения (А – насыщается, т.е. не зависит от напряжения V). Условия насыщения можно оценить по зависимости I(V) в стационарных условиях (рис.3). Времена τ ₃, τ _реак оценивают, отмечая уровни интенсивности соответственно 10% и 90% от максимальной А (рис. 4). Если величина А не зависит от V, то можно достаточно объективно сравнивать скорости процессов возникновения и исчезновения ДРС при разных напряжениях.

С другой стороны, для выяснения природы ЭГД – неустойчивости, выраженные в виде электроконвективных доменов и динамического рассеяния света, необходимо знать временные характеристики для различных стадий электроконвективного течения от доменов до ДРС. Для малых напряжений амплитуда А уменьшается. Поэтому скорость возникновения и исчезновения ЭГД неустойчивости будем характеризовать несколько другим, более простым способом. Метод расчёта τ ₃, τ _B, τ _U показан на рис.5.

На осциллограмме (ри.5.) выбирают прямолинейный участок на кривой I(t) и продолжаю его до пересечения с базовой линией. Точка пересечения указывает на завершение времени задержки τ ₃ и переход процессу к светорассеяния. Таким образом плавную кривую I(t) заменяют двумя отрезками. Наклон прямой характеризует скорость развития неустойчивости. Поэтому tgα ≡ τ _В характеризует время выхода образца на одинаковый уровень светорассеяния, независимо от амплитуды А(V). Так можно сравнивать скорости процессов возникновения неустойчивости при разных V вплоть до V_П возникновения доменов. Измеряя расстояние между точками 2 и 3 (по оси t) непосредственно определяют время реакции τ _реак. Время релаксации обычно на порядок величины больше τ ₃ и τ _реак, поэтому проще определять его по моменту пересечения кривой I(t) с базовой линией. Скорость развёртки необходимо уменьшить.

Таким образом определяют зависимости А(V), τ ₃(V), τ _реак(V), τ _В(V), τ _U(V).

Эффект ДРС связан с рассеянием света на анизотропной фазовой решётке. При достаточно малых напряжениях речь идёт о дифракции света на системе линейных доменов, при несколько больших – на сложных системах доменов, при напряжениях V≥ V_П принято говорить о турбулизации течения (собственно ДРС).

Приведём некоторые характеристики отклика светорассеяния, полученные различными авторами по методу, указанному на рис.4. Показано, что τ ₃ и τ _реак приблизительно ~V^-2, τ _рел не зависит от V. В теоретических работах приводится значение времени релаксации молекулярной ориентации

,

где η – эффективная вязкость, ε _┴ - ε _II=-ε _a – диэлектрическая анизотропия, К – модуль упругости деформации ориентации, k – волновой вектор возмущения.

В первом приближении было предположено, что уравнение T(V) может описывать времена ЭГД – неустойчивости на стадии ДРС. Тогда

В ряде статей показано, что зависимости вида τ ~d²/V² выполняется достаточно точно.

Целью настоящей работы является изучение временных характеристик ДРС, определение τ _реак, τ _3, τ _В, А в зависимости от V и построение соответствующих зависимостей τ, А(V). Установка показана на рис.2. Нематический n – азоксианизол охлаждается из изотропного состояния до температуры, находящейся в середине нематического интервала. Напряжение с генератора Г5 – 6А подаётся на ячейку (d=25 мкм, электропроводящее покрытие SnO₂), частота следования 5 – 10 Гц, длительность 15 – 50 мс, напряжение 10 – 30 В(через 2В). На экране осциллографа закрепляется калька, на которую наносится форма сигнала светорассеяния. Затем результаты, полученные при обработки осциллограмм (рис.5) обрабатываются графически и определяются эмпирические зависимости в координатных осях lg τ (lgV), lg τ (V).

Рис.1. Форма светового отклика (светового рассеяния): I(t) на прямом пучке света. τ _реак – время реакции, τ ₃ – время задержки, τ _рел – время релаксации до исходного состояния, А – амплитуда рассеяния света.

Рис.2. Экспериментальная электрооптическая установка.

Рис.3. Зависимость интенсивности рассеянного света (сигнал на фотоприёмнике) от напряжения постоянного электрического поля.

Рис.4. Метод расчёта времени светового отклика в условиях А=const.

Рис.5. Методика упрощенного расчёта τ _3, τ _В≈ tgα, τ _U.

Выполнение работы:

1. Нагреть ячейку с кристаллом ПАА до середины нематического интервала температур. Напряжение на спирали нагревателя ~30В.

2. Включить лазер ЛГ – 78, источник питания ФЭУ – 28, осциллограф С1 – 16, генератор Г5 – 26. (напряжение с выхода генератора Г5 – 26 убрать кнопкой замыкания).

3. Увеличивая напряжение на выходе Г5 – 26, получить сигнал светового отклика. (ν =5 – 10 Гц, длительность 15 – 50 мс, V> 10В).

4. Установить сигнал на экране осциллографа с помощью синхронизации (ручка “○ ”).

5. Укрепить на экране лист кальки и зарисовать форму сигнала (от 30В и ниже через 2В).

6. провести обработку полученных осциллограмм.

7. Построить зависимости указанные в работе.

Вопросы:

1. Нарисуйте импульс напряжения и световой отклик. Расскажите о методах определения временных характеристик.

2. Запишите теоретическое выражение для времени релаксации молекулярной ориентации и получите, исходя из него, времена релаксации и реакции неустойчивости.

3. Опишите электрооптическую установку.

4. Сравните эмпирические зависимости, полученные Вами экспериментально, с теоретическими формулами.