Тема 3.12 Активные диэлектрики

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы- это жидкости с упорядоченной молекулярной структу­рой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положе­ние между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным располо­жением молекул. Жидкие кристаллы те­кучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы.

Известно несколько сотен жидких кристаллов, важное место среди них за­нимают некоторые органические веще­ства, у которых молекулы имеют удли­ненную форму. При плавлении таких веществ в силу особенностей межмоле­кулярного взаимодействия удлиненные молекулы располагаются в определен­ном порядке. Промежуточное состояние с упорядоченной структурой сохраняет­ся в интервале температур от точки плавления вещества до точки персхо;и жидкого кристалла в изотропную жид­кость. При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная мо­лекулярная структура полностью исче­зает, увеличивается прозрачность веще­ства, и полому верхнюю температур­ную точку существования жидкого кристалла называют точкой просветления.

По структуре жидкие кристаллы раз­деляют на три класса: I (нематические); II (смектические) и III (холестерические).

В кристаллах первого класса (рис 1.25,а) молекулы выстроены в цепочки; направление преимущественной ориен­тации молекул является оптической осью жидкою кристалла.

В кристаллах второю класса (рис. 1.25,6) молекулы образуют парал­лельные слои, которые легко смещают­ся друг относительно друга.

В кристаллах третьего класса (рис. 1.25.в) структура наиболее сложная: мо­лекулы размещаются по пространственной спирали. Длинные молекулы обра­зуют параллельные слои, в каждом слое имеется структура жидкого кристалла первого класса. Направление преимуще­ственной ориентации плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя спираль с определенным шагом.

Ориентационный порядок в располо­жении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлек­трическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от на­правления, вдоль которого измеряют их величины, например: параллельно или перпендикулярно осям молекул. В част­ности, в жидких кристаллах, являющих­ся диэлектриками, удельное объемное электрическое сопротивление, измерен­ное перпендикулярно молекулярным це­пям, достигает 10¹²-10¹⁴Ом-м, а вдоль молекулярных цепей – на не­сколько порядков ниже.

Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явле­ние дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаме­нимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов.

Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первою класса, а также кристаллов третьего класса под влиянием электрического по­ля и температурных условий широко ис­пользуется в приборостроении. Измене­ние структуры жидких кристаллов при внешних воздействиях сопровождается перемещениями молекул, и на такие пе­ремещения требуется 1-10 мс, а на возврат к исходному состоянию после прекращения воздействия еще большее время - 20-200 мс. Такая особенность жидких кристаллов ограничивает их применение областью низких частот (не выше 2-5 кГц). В промышленности ис­пользуют как индивидуальные жидко-кристаллические органические соедине­ния, так и их эвтектические смеси. Смеси обладают более широким темпе­ратурным интервалом существования жидких кристаллов.

В жидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света Сущ­ность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул под действием электрического ноля доста­точной напряженности, появлением тур­булентного перемешивания молекул и увеличением прозрачности. Жидкие кристаллы используют в цветных инди­каторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителя­ми, также имеющими продолговатые молекулы. При низкой напряженности поля молекулы жидкого кристалла раз­метаются перпендикулярно электродам ячейки и увлекают за собой молекулы красителя. В таком положении окраска не видна. При вращении молекул под влиянием поля более высокой напря­женности молекулы красителя окраши­вают изображение в определенный цвет.

В жидких кристаллах третьего класса при нагреве шаг спирали увеличивается, что меняет условия интерференции све­та на кристаллах и сопровождается из­менением окраски отраженного света. Оптические характеристики кристаллов весьма разнообразны, в среднем длина волны отраженного света при нагреве на 1⁰С уменьшается на 1-2 нм.

Эту особенность используют для ре­гистрации и измерения стационарных и медленно меняющихся температурных нолей. Здесь используется как увеличе­ние прозрачности при переходе жидкого кристалла в изотропную жидкость, так и изменение цвета отраженного потока света.

На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразова­тели невидимого инфракрасного излуче­ния в видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что из­меняется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в моду­ляторах, системах отображения инфор­мации - калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.

Тема 3.12 Активные диэлектрики.

Активные диэлектрики отличаются от обычных тем, что их свойствами можно управлять в широком диапазоне, воздействуя на них электрическим, магнитным, тепловым и др. полями. Так поляризация может создаваться не только электрическим полем, но и при деформации (пьезоэлектрический эффект), намагничиванием (сегнетомагнитный эффект), изменением температуры (пироэлектрический эффект). Возможны также и обратные явления.

Активными (управляемыми) диэлектриками называют диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий (температуры, давления, напряженности поля и т.д.). Их используют в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах.

К активным диэлектрикам относят пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, электреты, материалы для квантовых генераторов, жидкие кристаллы и др.

Сегнетоэлектрики – это материалы, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определённом интервале температур, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Они имеют сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости ε.

Название «сегнетоэлектрики» произошло от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC₄H₄O₆). Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная поляризация. Она широко применялась для изготовления различных приборов в годы ВОВ но у неё низкие влагостойкость и механические свойства. После 1944 года широкое применение получил титанат бария BаTiO₃. На базе которого изготавливают материалы с различными свойствами:

Конденсаторная керамика применяется для изготовления нелинейных конденсаторов, в усилителях напряжения и мощности, стабилизаторах.

Нелинейная сегнетокерамика применяется для изготовления варикондов – нелинейных конденсаторов.

Терморезистивную керамику применяют для изготовления терморезисторов-позисторов, которые используют для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации радиосхем, в малогабаритных термостатах, стабилизаторах и др.

Сегнетоэлектрики с прямоугольной формой петли гистерезиса применяют в запоминающих устройствах (ЗУ) электронно-вычислительных машин (ЭВМ) для записи информации. Для лучших сегнетокерамических материалов быстродействие составляет десятки наносекунд.

Для изготовления запоминающих устройств наиболее применима керамика на основе твёрдых растворов цирконата - титаната свинца.

Пьезоэлектрики –твёрдые анизотропные кристаллические вещества, обладающие пьезоэффектом, который наблюдается только при несимметричой кристаллической решетке. Пьезоэффект был открыт в 1880 году братьями Кюри.

Материалы с прямым пьезоэлектрическим эффектом применяются для преобразования механических напряжений или смещений в электрические сигналы (звукосниматели, приёмники ультразвука, датчики деформаций).

Материалы с обратным пьезоэлектрическим эффектом используют для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).

К пьезоэлектрическим материалам относится большое количество веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в т.ч.– все сегнетоэлектрики.

Одним из наиболее известных пьезоэлектриков является монокристаллический кварц (горный хрусталь), обладающий высокими электрическими свойствами (тангенс угла диэлектрических потерь меньше 0,0001), твёрдостью и механической прочностью. Его применяют для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний.

Всё шире используются синтетические пьезоэлектрики: ниобат лития и танталат лития. Их применяют в линиях задержки и фильтрах объёмных и поверхностных волн в диапазоне ВЧ и СВЧ.

Сфалерит, сульфид кадмия, оксид цинка используют в основном для плёночных преобразователей электромагнитных колебаний в акустические на высоких и сверхвысоких частотах (до 40 ГГц).

Электреты – это диэлектрики, которые длительное время создают в окружающем пространстве электрическое поле за счёт предварительной электризации или поляризации. Это смеси воска и смол, расплав которых охлаждают в постоянном электрическом поле. При застывании поверхность электрета, обращённая к аноду, сохраняет отрицательный, а противоположная - положительный заряды. Хранят органические электреты в закороченном состоянии (упакованными в фольгу).

В зависимости от способа формирования заряда различают: электроэлектреты; термоэлектреты; фотоэлектреты; радиоэлектреты; трибоэлектреты.

Электроэлектреты получают воздействием на диэлектрик только электрического поля при комнатной температуре. Термоэлектреты получают при охлаждении нагретого или расплавленного диэлектрика в сильном электрическом поле. Фотоэлектреты получают при совместном действии электрического поля и световой энергии на материалы, обладающие фотопроводимостью. Радиоэлектреты получают при воздействии на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц), в результате на поверхности диэлектрика образуется заряженный слой. Трибоэлектреты получают при трении двух диэлектриков, в результате электроны диэлектрика с меньшей работой выхода переходят в диэлектрик с большей работой выхода.

В качестве электретов могут использоваться органические и неорганические материалы.

Органические электреты условно делят на электреты из природных материалов и электреты из синтетических материалов. К природным электретам относятся смолы (канифоль, шеллак, янтарь) и их смеси, а также сахар, асфальт, эбонит, слюду и др. Они обладают низкой стабильностью величины заряда, очень высокой чувствительностью к условиям хранения, временем жизни не более 1 года и не применяются для изготовления изделий радиоэлектроники.

К синтетическим электретам относятся тонкие органические слабополярные и нейтральные полимерные плёнки с высокими диэлектрическими свойствами (поликарбонаты, полипропилен и др.). Их применяют в качестве мембран в микрофонах, в вибропреобразователях.

Неорганические электреты – это группа электретов из титаносодержащей керамики, ситаллов, различных стёкол. Их применяют при изготовлении электростатических вольтметров, элементов электрической памяти, дозиметров проникающей радиации, для световой записи информации на диэлектрическую плёнку (аналогично записи на магнитную плёнку).

Жидкие кристаллыпо свойствам находятся в промежуточном состоянии между твёрдым кристаллическим и жидким изотропным, обладая анизотропией физических свойств, присущих твёрдым кристаллам, и текучестью, характерной для жидкостей. Они были открыты в 1888 г. Австрийским ботаником Ф. Райнитцером, но практическое применение получили недавно. В настоящее время известно более 3000 жидких кристаллов (органические соединения, молекулы которых имеют обычно удлинённую, нитевидную форму, многие из них принадлежат к ароматическим соединениям).

Жидкие кристаллы разделяют на три класса:

- нематические,образованные из нитевидных молекул, ориентированных параллельно друг другу;

- смектические , образованные из нитевидных параллельно ориентированных молекул, упакованных в слои;

- холестерические,которые состоят из молекул, обладающих высокой оптической активностью и образующих слоистое строение.

Жидкие кристаллы способны изменять интенсивность проходящего через них света под действием электрического поля. Это свойство используют в устройствах оптической обработки информации, устройствах отображения информации, малогабаритных устройствах с питанием от батареек, наручных часах, микрокалькуляторах, цветовых термоиндикаторах технической и медицинской диагностики. ЖК индикаторы самые простые, дешёвые и экономичные.