Тепловые явления в физике – определение, основные виды, примеры

Тепловые явления в физике – определение, основные виды, примеры

Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния.

Все тепловые явления связаны с температурой.

Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия. Главной характеристикой теплового равновесия является температура.

Температура – это мера «нагретости» тела.

Поскольку температура является физической величиной, то её можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо – тепло, метрео – измеряю).

Первый термометр (а, точнее, его аналог) изобрёл Галилео Галилей. Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом.

Любой термометр основан на следующем принципе: изменение физических свойств веществ в зависимости от температуры.

Опыт Галилея

Рис. 1. Опыт Галилея

Опыт Галилея (см. Рис. 1) состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил её водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако, в результате, в ножке остался определённый уровень воды. Если теперь нагревать колбу (в которой находится воздух), то уровень воды будет опускаться, а если охлаждать, то, наоборот, повышаться. Это связано с тем, что при нагревании вещества (в частности, воздух) имеют свойство расширяться, а при охлаждении – наоборот, сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).

Эта идея и легла в основу первого термоскопа, который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).

В это же время была введена так называемая градусная шкала. Само слово «градус» в переводе с латинского означает «ступень».

На сегодняшний день сохранились три основные шкалы.

1. Шкала Цельсия

Наибольшее распространение получение шкала, которая с детства известна каждому – шкала Цельсия.

Андерс Цельсий – шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: 0 о С – температура кипения воды; 100 о С – температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевёрнутой шкале Цельсия.

Примечание: сам Цельсий говорил, что такой выбор шкалы вызван простым фактом: зато зимой не будет отрицательной температуры.

2. Шкала Фаренгейта

В Англии, США, Франции, Латинской Америке и некоторых других странах популярностью пользуется шкала Фаренгейта.

Габриель Фаренгейт – немецкий исследователь – инженер, который впервые применил свою собственную шкалу для изготовления стекла. Шкала Фаренгейта более тонкая: по размерности градус шкалы Фаренгейта меньше градуса шкалы по Цельсию.

3. Шкала Реомюра

Техническая шкала придумана французским исследователем Р. А. Реомюром. По этой шкале 0 соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.

В физике, в основном, используется так называемая абсолютная шкала – шкала Кельвина. 1 градус по Цельсию равен 1 градусу по Кельвину, однако температура в 0 о С соответствует приблизительно 273 К .

Шкала
Цельсия

Шкала
Фаренгейта

Шкала
Реомюра

Шкала
Кельвина

Кем и
когда
введена.

А. Цельсия
шведский
астроном, физик
1742 г.

Фаренгейт
стеклодув из Голландии
1724 г.

Реомюр французский физик
1726 г.

Томсон
(лорд Кельвин)
английский физик
1848 г.

Наличие положительных и отрицательных температур

0 о C
– температура таяния льда,
100 о C
– температура кипения воды.

32F
– температура таяния льда,
212F
– температура кипения воды.

0R
– температура таяния
льда,
80R
– температура кипения воды.

0K – абсолютный нуль,
273К
– температура таяния льда
Т = t + 273

Самая высокая температура.

Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300. 400 млн °C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986г., составляет 200 млн °C.

Самая низкая температура.

Абсолютный нуль по шкале Кельвина (0 K) соответствует –273,15°С или –459,67° F . Самая низкая температура, 2·10 –9 K выше абсолютного нуля, была достигнута в двухступенчатом криостате ядерного размагничивания в Лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, группой учёных под руководством профессора Олли Лоунасмаа (род. в 1930 г.), о чём было объявлено в октябре 1989 г.

Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании – расширяются, при охлаждении – сужаются). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать, и объём увеличивается.

Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твёрдым, и к жидким, и к газообразным телам).

Движение частиц в газах является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).

Движение частиц в жидкостях является «скачкообразным», то есть: молекулы ведут «осёдлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.

Движение частиц в твёрдых телах называется колебательным.

Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение).

Это движение никогда не останавливается (до тех пор, пока у тела есть температура).

Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун, по имени которого данное движение называют броуновским движением.

На сегодняшний день известно, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет приблизительно -273 о С . Именно при такой температуре замирает движение частиц (однако не замирает движение внутри самих частиц).

Рассмотрим в заключении ещё один опыт – опыт французского учёного Гильома Амонтона, который в 1702 году изобрёл так называемый газовый термометр. С небольшими изменениями этот термометр дошёл и до наших дней.

Опыт Амонтона

Рис. 2. Опыт Амонтона

Возьмём колбу с водой и заткнём её пробкой с тонкой трубкой (см. Рис. 2). Если теперь нагревать воду, то за счёт расширения воды, её уровень в трубке будет повышаться. По уровню поднятия воды в трубке можно сделать вывод об изменении температуры. Преимущество термометра Амонтона состоит в том, что он не зависит от атмосферного давления.

На этом уроке мы рассмотрели такую важную физическую величину, как температура. Изучили способы её измерения, характеристики и свойства. На дальнейших уроках мы изучим такое понятие, как внутренняя энергия.

Виды теплопередачи

• Участник:Ромашов Владимир Михайлович
• Руководитель: Гурьянова Галина Александровна

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Техника безопасности по теме «Тепловые явления»

1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
2. До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.
3. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
4. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
5. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
6. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
7. При выполнение опытов нельзя пользоваться разбитой стеклянной посудой или посудой с трещинами.
8. Стеклянные колбы при нагревании нужно ставить на асбестовые сетки. Воду можно нагревать до 60–70°С.
9. Осколки стекла нельзя собирать со стола руками. Для этого нужно использовать щетку с совком.
10. Нельзя оставлять без присмотра нагревательные приборы.
11. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
12. Будьте внимательны и осторожны при работе с колющими и режущимися предметами.
13. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
14. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Виды теплопередачи» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: внутреннюю энергию тел можно изменять путем теплопередачи. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Опыт № 1. Теплопроводность

На примере этого опыта я хотел показать действие теплопроводности наглядно. При нормальных условиях тепло должно передаваться равномерно вследствие колебательных движений частиц.

К металлической линейке с помощью воска я прикрепил несколько кнопок. Закрепив линейку в штативе, я начал нагревать один конец линейки с помощью спиртовки. Линейка начала постепенно нагреваться, это можно доказать тем, что воск начал таять постепенно и кнопки поочерёдно начали отпадать.

Вывод из опыта № 1

Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура в следующей части линейки. При теплопроводности не происходит переноса самого вещества. Теплопроводность металла хорошая, у жидкостей невелика, у газов еще меньше.

Применения теплопроводности

• Теплопроводность используется при плавлении металлов.
• В электронике используют настолько плотное расположение плат, что теплоноситель проникает туда с трудом. Поэтому приходится тепло от электронных чипов отводить теплопроводностью.
• Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. В кухонной посуде ручки чайников и кастрюль обычно делают деревянными или пластмассовыми в связи с тем, что у дерева и пластмассы плохая теплопроводность.
• Поверхность утюга, которой гладят металлическая, чтобы хорошо прогревалась, а вся остальная часть утюга пластмассовая, чтобы не обжечься.
• Плохую теплопроводность газов в основном используют, как теплоизоляцию, чтобы предохранять помещения от замерзания.
• Плохая теплопроводность газов используется в окнах. Между двумя стёклами в окне находится воздух, поэтому воздух долгое время сохраняет тепло.
• Термос работает по такому же принципу, что и окно. Между внутренними стенками и внешними находится воздух, и тепло очень медленно уходит.
• Теплопроводность газов используется во многих строительных материалах, например, в кирпичах. В кирпиче находятся отверстия не просто так, а для сохранения тепла. Стены состоят из двух слоёв, между которыми находится воздух, это сделано для сохранения тепла.
• Дома в зонах вечной мерзлоты строят на сваях.
• Тонкой полиэтиленовой плёнкой можно защищать растения от холода, потому что полиэтилен – плохой проводник тепла.
• Материалы, не пропускающие тепло, используются при космических полётах, чтобы пилоты не замерзали.
• Горячие предметы лучше брать сухой тряпкой, нежели мокрой, потому что воздух хуже проводит тепло, чем вода.

Теплопроводность в природе

У многих не перелётных птиц температура лапок и тела может различаться до 30 °С. Это связано с тем, что им приходится ходить по холодной земле или по снегу, чтобы не замёрзнуть, низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу.

Образование ветра это тоже теплопроводность. Зарождаются ветра обычно около водоёмов. Днём суша нагревается быстрее чем вода, то есть над водой воздух более холодный, следовательно, его давление выше, чем у воздуха, который над сушей, и ветер начинает дуть в сторону суши. Ночью же суша остывает быстрее, чем над водой, и воздух над ней становится холоднее, чем тот, что над водой и ветер дует в сторону воды.

Мех животных обладает плохой теплопроводностью, что защищает их от перегрева и замерзания.

Снег, будучи плохим проводником тепла, предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Внешняя температура тела у человека держится постоянной благодаря теплопроводности и её свойству, согласно которому, при взаимодействии микрочастиц они передают друг другу тепло.

Интересные факты о теплопроводности

Самую большую теплопроводность имеет алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше чем у меди. Если алмазную ложечку опустить в горячий чай, то вы сразу обожжётесь из-за того, что тепло дошло до конца ложки.

Теплопроводность стекла настолько мала, что вы можете взять стеклянную палочку, раскаленную посередине, за концы, и при этом даже не почувствовать тепла.

Итальянские учёные изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Лето в ней не буде жарко, а зимой – холодно. Это связано с тем, что она сшита из специального материала, не пропускающего тепло.

Опыт № 2. Излучение

В этом опыте я хотел показать способ передачи тепла без взаимодействия двух тел. Тепло должно передаваться приёмнику, а тот в свою очередь пускать его через трубку в жидкостный манометр. Вследствие нагрева воздуха в колене соединённом с жидкостным манометром, жидкость должна опуститься.

Я соединил колено жидкостного манометра с теплоприемником. Зажёг спиртовку и поднёс к ней теплоприёмник светлой стороной, но на определённое расстояние. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, немного уменьшилась. Выровняв количество жидкости в манометре, я снова поднёс теплоприемник к источнику тепла, но уже тёмной стороной. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, уменьшилась, но значительно сильнее и быстрее. Воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился, стал давить на жидкость в колене манометра.

Вывод из опыта № 2

Энергия передавалась не теплопроводностью. Между нагретым телом и теплоприемником находился воздух – плохой проводник тепла. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.

Передача тепла излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться даже в полном вакууме.

Важным и отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если поместить тело в теплоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии. Часть тепла полученного излучением поглощается, а часть отражается.

Применения излучения

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолетов красят в серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем.

Лучевой нагрев помещения специальными инфракрасными радиаторами. Такой нагрев более эффективный, чем нагрев конвекцией, так как лучи свободно проходят сквозь воздух.

Излучение используют на космических аппаратах. Так как там нет воздуха, не получится по-другому передать тепло.

Если находиться рядом с лампой накаливания можно почувствовать тепло исходящее от неё.

Солнечные батареи работают по принципу излучения. Солнце испускает мощные тепловые лучи. Солнечные батареи принимают тепловые лучи и перерабатывают их в энергию. Такие батареи хорошие приёмники для солнечных лучей, потому что их поверхность тёмного цвета, и они хорошо нагреваются. Такие батареи используются на космических станциях и спутниках.

От компьютеров и мобильных телефонов тоже исходит тепловые лучи.

Приборы ночного видения. Такие приборы сделаны из материалов способных превращать тепловые излучения в видимые. Такие приборы используются для съёмки в абсолютной темноте. Они способны улавливать различные участки, температура которых различается на сотые доли градуса.

Интересные факты

Чем более тёмное тело, тем лучше оно поглощает тепло. Зеркальные поверхности отражают тепло полученное излучением. Абсолютно черное тело – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Когда объект нагревается до высокой температуры, он начинает светиться красным цветом. В процессе дальнейшего нагревания объекта, цвет его излучения меняется, проходя через оранжевый, желтый, и дальше по спектру, чем горячее — тем меньше длина волны излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Змеи отлично воспринимают тепловое излучение, но не глазами, а кожей. Поэтому и в полной темноте они способны обнаружить теплокровную жертву. Гремучие змеи и сибирские щитомордники реагируют на изменения температуры до тысячной доли градуса.

80 процентов тепла тела излучается головой человека.

Если бы не свойства излучения, то земля бы замёрзла. Так как земля постоянно излучает тепловые лучи в бесконечное пространство.

Глаза таракана чувствуют колебания температуры в сотую долю градуса.
На каждый квадратный метр земной поверхности попадает около 1 кВт тепловой энергии Солнца, что достаточно, чтобы вскипятить чайник за считанные минуты.

Опыт № 3. Конвекция

Рассмотрю явление передачи тепла с помощью конвекции. Этим опытом я хочу показать, как действует конвекция. Если опыт пройдёт успешно, то тепло должно передаваться снизу вверх.

Я налил холодную воду в колбу и добавил туда марганцовокислого калия для того, чтобы видно было процесс нагрева. Зажег спиртовку и начал подогревать колбу. Видно, как струи подкрашенной воды поднимаются вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается.

Вывод из опыта № 3

При конвекции энергия переносится самими струями жидкости или газа. При конвекции происходит перенос вещества в пространстве. Для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу. Конвекция в твердых телах происходить не может.

Конвекция бывает двух видов: естественная – нагревание жидкости или газа и его самостоятельное движение; принудительная – смешивание жидкостей или газов с помощью насосов или вентиляторов.

Применение конвекции

Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. Далее тепло от дна кастрюли поступает в воду и распространяется по всему объему воды путем конвекции.

Конвекция используется в конвекционных печах или микроволновках. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон.

В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным.

Батареи отопления в жилых помещениях располагаются снизу, а не сверху, потому что тёплый воздух поднимается вверх и помещение прогревается везде одинаково, если бы батареи располагались у потолка, то помещение бы не нагревалось вовсе.

Батареи располагаются именно под окнами, потому что горячий воздух поднимается и распространяется по комнате, а сам уступает место холодному воздуху, поступающему из окна.

Конвекция используется в двигателях внутреннего сгорания. Если воздух не будет поступать в камеру сгорания, то горение прекратится. Из-за горения воздух там расширяется, давление уменьшается и холодный воздух поступает внутрь. К двигателю внутреннего сгорания обязательно должен поступать воздух.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло препятствует движению тёплого воздуха вверх, то есть осуществлению конвекции. Таким образом, теплица является ловушкой энергии.

Вентилятор фена прогоняет воздух через трубу с тонкой длинной нагревательной спиралью. Спираль нагревается проходящим по ней электрическим током. Далее происходит передача тепла от разогретой спирали окружающему её воздуху. Здесь используется явление принудительной вентиляции воздуха и явление теплопередачи.

Конвекция в природе

Конвекция участвует в образовании ветра. Если бы работала только теплопроводность, то ветров бы почти не было, но благодаря конвекции теплый воздух поднимается над сушей и уступая холодному воздуху.

Благодаря конвекции появляются облака и тучи. Так как вода испаряется, конвекция подгоняет пар высоко вверх, и там образуются облака под воздействием холодного воздуха и низкого давления.

Конвекция участвует в возникновении волн. Волны появляются благодаря ветру, а ветер в свою очередь благодаря конвекции и теплопередачи, следовательно, без конвекции волн не могло бы быть.

Стекло начинает замерзать снизу раньше, чем сверху. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и опускается вниз и тем самым замораживает поверхность стекла.

Листья осины дрожат даже в безветренную погоду. У листьев осины длинные, тонкие и сплющенные черенки, имеющие очень малую изгибную жесткость, поэтому листья осины чувствительны к любым, незначительным потокам воздуха. Даже в безветренную погоду, особенно в жару, над землей имеются вертикальные конвекционные потоки. Они и заставляют дрожать осину.

Интересные факты

В сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Выводы из проделанных опытов

Если изменение внутренней энергии происходит путем теплопередачи, то переход энергии от одних тел к другим осуществляется теплопроводностью, конвекцией или излучением. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.

Реферат на тему: «Жидкие кристаллы и их применение» — свойства, строение и структура

Жидкие кристаллы — это не определённый вид вещества, а комплексное определение состояния некоторых тел. Это значит, что определённые вещества могут при соблюдении условий вести себя и как жидкости, и как твёрдые тела. При написании реферата о жидких кристаллах и их применении можно более глубоко изучить особенности и уникальные свойства этого материала.

Что такое текучие материалы

Примерно до конца XIX века считалось, что существует два вида веществ — с твёрдой структурой тела и с текучей. Но в 1888 году был обнаружен ряд странных свойств у холестерилбензоата. Позже, общую закономерность в свойствах некоторых тел обнаружил немецкий физик Отто Леман, экспериментируя со своим проектом. По сути, он и открыл возможность веществ иметь разные свойства в разных состояниях.

Этот феномен получил название «жидкие кристаллы». Интересно, что многие учёные того времени не признавали инновационного открытия, так как это в корне противоречило общепринятой концепции о трёх состояниях вещества. Поэтому долгое время оно оставалось в тени.

Если кратко, то жидкокристаллическое состояние выражается в одновременной текучести и вместе с тем, упорядоченным расположением молекул. Однако, жёсткой кристаллической решётки в таких телах нет. Одно из ключевых свойств жидких кристаллов — ориентированный порядок расположения молекул.

В разных фазах и у различных веществ это расположение тоже может меняться. Таким образом, достигается гибкость разработки и широкий спектр применения жидких кристаллов в медицине, промышленности, бытовой технике и электронике.

Виды и категории

Иерархия фаз ЖК сложна и немного запутана. Существует две больших группы:

• термотропные;
• лиотропные.

Лиотропные — двух или более компонентные вещества. Текучее состояние в такой среде обеспечивает какой-либо из видов растворителей, например, вода. А упорядоченность молекул и твёрдое состояние гарантируют свойства основного элемента.

Термотропные в общем случае образуются при нагревании вещества. Они, в свою очередь, могут быть представителями одного из подклассов:

• нематические;
• смектические;
• холестерические.

Нематические не имеют жёсткого порядка в строении молекул. Тем не менее, молекулы всегда направлены своими острыми частями в одну сторону и непрерывно скользят вдоль своей длинной оси. По сути, они ведут себя как обычные жидкости.

Смектические ЖК имеют слои, которые могут перемещаться относительно друг друга. Толщина одного слоя равна длине молекул. Такая техника построения молекул придаёт большую вязкость и более высокую плотность, чем у нематической группы. Стоит отметить, что смектические кристаллы делятся ещё на три категории: A, B и С.

Холестерические жидкие кристаллы, как можно понять из названия, содержит в себе производные холестерина, помимо других веществ. Но, по сути, этот тип представляет собой нематические материалы. Только их молекулы расположены таким образом, что представляют собой спирали, которые очень остро реагируют на любое изменение температуры. При этом меняется окрас самого вещества. Эту биологическую функцию можно использовать в медицинских целях, а также там, где необходимо оперативно реагировать на изменения температуры.

Свойства и характеристики

В качестве введения стоит рассмотреть два первых изменяемых свойства — вязкость и плотность. Необычность их заключается в том, что изменение этих свойств нелинейно, то есть происходит по кривой, в зависимости от внешнего воздействия, например, температуры. И может фиксироваться в какой-то определённой точке воздействия. Другими словами, при необходимости можно «включать» то один набор характеристик, то другой.

Не менее интересны и тема оптических свойств. Проходя через некоторые виды жидких материалов, свет работает так же, как и в твёрдых. То есть расщепляется на два — необыкновенный и обыкновенный. Направление поляризации первого совпадает с направлением оптической оси кристалла, а второго — перпендикулярно ему. При правильном использовании этой особенности можно с помощью внешних воздействий управлять переходом света через материал.

Первые сообщения об открытии эффекта памяти появились от двух учёных Хейльмейера и Голдмахера. Они заметили, что после обработки разных веществ ионным током, те мутнеют. И самое интересное — помутнение может держаться от двух часов до нескольких недель. Учёные также обнаружили, что снять это помутнение можно и «вручную», приложив к кристаллу ток с частотой более 500 и менее 2000 Гц.

Области применения

Различные свойства и характеристики ЖК позволяют использовать их практически во всех отраслях. Оптические способности активно используются в производстве целой гаммы приборов — от микроскопов до больших экранов мониторов. Природа прохождения лучей через ЖК позволяет управлять ими буквально с любой микросхемы. А малое потребление гарантирует максимальную экономичность. В отличие от плазменных экранов, ЖК-мониторы имеют более сочную картинку и долговечность.

Особенность кристаллов быстро реагировать на малейшее изменение температуры нашла своё практическое применение в медицине. Например, белый свет, проходя через ЖК разлагается в спектр, который будет неоднородным при разных температурах. И по лучам можно определить точную степень изменения температуры тела. Собственно, это же открытие применяется и для контроля за нагревом различных материалов в самых разных отраслях.

Перспективы жидких кристаллов

Несомненно, открытие уникальных новых свойств уже известных материалов позволило осуществить массу открытий в самых разных областях деятельности человека. Даже читая этот краткий доклад, пользователь, скорее всего, делает это с помощью жидких кристаллов, не подозревая об этом.

Несмотря на то что изучен большой пласт физических свойств элементов, учёные продолжают находить им всё новое применение, совершенствуя приборы и технологии. В журналах и газетах, специализирующихся на химии, физике и прочих естественных науках, продолжают публиковаться всё новые и новые достижения в области материалов с двумя агрегатными состояниями.

Жидкие кристаллы – реферат

Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию не нашлось применения.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3114836 (англ.)), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray) синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений и лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает с двух концов, филос — любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3-(СН2)n-2-СО2- (где n

12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2- стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(nара-бутиланилин):

Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК.

Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором — называемым «директором».

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, 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. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нуль при температуре 146° С, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары? вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы — графическая визуализация

Жидкий кристалл – это такое фазовое состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть они обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств данной среды в зависимости от направления внутри нее (например, показатель преломления, скорость звука или теплопроводность).

Жидкие кристаллы имеют структуру вязких жидкостей, которая состоит из молекул дискообразной формы. Ориентация данных молекул может изменяться при взаимодействии с электрическими полями.

История открытия

В 1888-м году австрийский ботаник Фридерих Рейнитцер выяснил, что у некоторых типов кристаллов имеется две точки плавления, из чего следует, что существует два различных жидких состояния, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

И хотя в 1904-м году немецкий физик Отто Леман предоставил ряд научных доказательств в пользу жидких кристаллов в своей одноименной книге, все же долгое время жидкие кристаллы не признавались как отдельные состояния вещества. В 1963-м году американский изобретатель Джеймс Фергюсон нашел применение одному из свойств ЖК – изменение цвета в зависимости от температуры. Американец получил патент на изобретение, которое способно обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого популярность жидких кристаллов начала расти.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно разделяют на две группы:

Термотропные – образовываются вследствие разогрева твердого вещества. Способны существовать в условиях определенной температуры и давления. Их разделяют на три типа, в зависимости от расположения молекул:

порядки разных термотропных ЖК

1. Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, «смектики» обладают относительно высокой вязкостью. Наиболее обширный класс ЖК.
2. Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.
3. Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов, например, холестерина. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали. Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

Три типа термотропных жидких кристаллов

1. Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display». В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др.

Устройство ЖК-дисплеев достаточно сложное, однако в общем виде представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света. Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности и др.

Структура жидкокристаллического дисплея

Термография

Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.

Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.

Применение термографии в обслуживании линий электропередач

Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.

Компьютерная термография в медицине

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.

Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.

Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.

Алкотестер на основе жидкокристаллического индикатора паров

Помимо прямого применения ЖК в перечисленных выше сферах, следует отметить, что жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них. В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Реферат на тему: Жидкие кристаллы и их применение, строение

Жидкие кристаллы и их технические применения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

В последние десятилетия бытовая техника все активнее стала использовать жидкокристаллические дисплеи (от экранов компьютеров и телевизоров до информационных блоков микрокалькуляторов, мультиметров). Современной вычислительной технике, радиоэлектронике, автоматике требуются высокоэкономичные, безопасные, быстродействующие устройства отображения информации (дисплеи). Вместе с газоразрядными (плазменными), катодолюминесцентными, полупроводниковыми и электролюминесцентными дисплеями ее обеспечивает относительно новый класс индикаторов, известных под названием жидкокристаллических (ЖКД), т.е.- устройств отображения информации работающих на основе жидких кристаллов. Меня заинтересовало устройство жидкокристаллических дисплеев и принцип их действия, а так как в школьном курсе физики данный материал не изучается, я решила сама изучить свойства и действие жидких кристаллов. Тема является актуальной, т.к. жидкие кристаллы все шире входят в нашу жизнь. Цель работы: изучить свойства жидких кристаллов и жидкокристаллической ячейки, исследовать принципы работы и возможности технического применения ЖК-ячейки. Задачи:

Изучить теорию жидких кристаллов и историюих создания и изучения; Исследовать плоскость поляризации ЖК-ячейки; Исследовать пропускание света жидкокристаллической ячейкой в зависимости от приложенного напряжения; Изучить применение жидких кристаллов в технике.

Гипотеза: жидкий кристалл изменяет направление поляризации света, ЖК-ячейка изменяет оптические свойства в зависимости от приложенного напряжения. Методы исследования: Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.

II. – Теоретическая часть.

История открытия жидких кристаллов.

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина – холестерилбензоата.

При температуре плавления (Tпл), 145°С, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется (точка просветления (Tпр)), т.е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаружились в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т.е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.

Двойно́елучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Явление двупреломления – это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно перпендикулярных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.

Существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т.е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Отто Лемана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, а является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.

С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК – вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК – фазу – мезофазой. Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и вместе с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природы ЖК – состояния веществ установление и исследование их структурной организации пришло значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существования таких необычных соединений в 20-30-х годах XX века сменилось их активным исследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых ЖК – соединений. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на три большие группы. Группы жидких кристаллов Фридель назвал:

1. Нематическими – В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям.

2. Смектическими – Эти кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул, однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков.

3.Холестерическими – Эти кристаллы образуются соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры.

Фридель предложил общий термин для жидких кристаллов – «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), что подчеркивает промежуточное положение жидких кристаллов между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам.

Русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР в 30-х годах XX века впервые исследовали поведение жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако до 60-х годов изучение жидких кристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.

Ситуация резко изменилась в середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники и микроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь на помощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК – индикаторы.

III. – Практическая часть.

Жидкокристаллическая ячейка является структурой из нескольких прозрачных слоев. Между парами поляризаторов с проводящими поверхностями находится слой жидкого кристалла. Исследуем плоскость поляризации ячейки.

Определение разрешённых направлений поляризаторов ЖК-ячейки.

После прохождения через подключённую ячейку свет поляризован в направлении поляризации второго поляризатора. Если на пути естественного света поставить поляризатор и анализатор(внешний поляризатор), то интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимного расположения плоскостей пропускания поляризатора и анализатора. Будем смотреть на свет сквозь анализатор и ЖК-ячейку. Вращая анализатор с указанным направлением поляризации перед ячейкой, добьёмся минимального пропускания света. В данном случае направление поляризации анализатора и ближнего поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярны.

Установка для исследования приведена на рис.1.

На рис.2 плоскость поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света минимальна. На рис.3 плоскость поляризатора ЖК-ячейки параллельна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света максимальна.

Затем ЖК-ячейку перевернули и продолжили исследование.На рис.4 плоскость поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света минимальна.На рис.5 плоскость поляризатора ЖК-ячейки параллельна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света максимальна.

Можно сделать вывод, что направления поляризации слоёв ячейки перпендикулярны. Таким образом, поскольку жидкий кристалл поворачивает на 90 ◦ направление поляризации света прошедшего через первый поляризатор, то в результате направление поляризации света на выходе из ЖК-ячейки совпадает с разрешённым направлением второго поляризатора, а интенсивность проходящего света максимальна.

Снятие зависимости интенсивности прошедшего света Iпр от напряжения Uя на ЖК-ячейке.

Проводящие поверхности и слой жидкого кристалла представляют собой конденсатор. При приложении напряжения к ячейке длинные молекулы жидкого кристалла оказываются в электрическом поле и поворачиваются, тем самым меняются оптические свойства жидкого кристалла. Если на ячейку подать напряжение 3 В, то ячейка становится полностью непрозрачной. Исследуем зависимость пропускающей способности ячейки от приложенного напряжения. В качестве источника света используем светодиод (Рис. 6), в качестве индикатора люксметр, основной частью которого является фотодиод (рис.7).

Для измерения коэффициента пропускания в держателе закрепим светодиод, фотодиод и жидкокристаллическую ячейку между ними. Соберем схему измерения (рис.8), фотография собранной цепи представлена на рис.9, 10. Вращая ручку потенциометра, будем изменять напряжение Uя на ячейке, и снимать показания люксметра (значение обратного тока через фотодиод найдем из закона Ома для участка цепи, разделив напряжение на фотодиоде на внутреннее сопротивление вольтметра, Iф = Uв∕Rв). Построим график зависимости силы фототока от напряжения на ЖК-ячейке Iф(Uя).

Из графика (Рис.11) видно, что при большом напряжении, свет не проходит сквозь ячейку и фотодиодом не регистрируется. При уменьшении напряжения сила фототока увеличивается линейно, при значении напряжения 724 мВ угол наклона графика увеличивается. Из этого следует, что при уменьшении напряжения ЖК-ячейка лучше пропускает свет. Это позволяет использовать ЖК-ячейку в индикаторах приборов. Дисплеи приборов состоят из большого количества ЖК-ячеек, те ячейки, на которые подано напряжение в данный момент имеют вид темных областей, а ячейки без напряжения имеют вид светлых областей.

IV. – Технические применения жидких кристаллов.

Электрооптические свойства жидких кристаллов широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т. п.), оптических затворах и других светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов – низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см 2 ), низкое напряжение питания (несколько В), что позволяет, например, сочетать жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевизионные экраны).

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные (т.е. неработающие) — сразу заметны по ярким цветовым пятнам.

Новые возможности получили врачи: нанося на тело пациента жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Таким образом, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

V. – Заключение.

В своей работе я познакомилась с историей открытия и изучения жидких кристаллов, с развитием их технических применений. Исследовала поляризационные свойства жидкокристаллической ячейки и пропускную способность света в зависимости от приложенного напряжения. В дальнейшем я хотела бы провести термографические исследования используя жидкие кристаллы.

VI. – Библиографический список

1. Жданов С.И. Жидкие кристаллы. «Химия», 1979. 192с.

2. Роджерс Д. Адамс Дж. Математические основы машинной графики. «Мир», 2001. 55с.

3. Калашников А. Ю. Электрооптические свойства жидкокристаллических ячеек с повышенной крутизной вольт-контрастной характеристики. 1999. 4с.

4. Коншина Е. А. Оптика жидкокристаллических сред. 2012. 15-18с.

5. Зубков Б.В. Чумаков С.В. Энциклопедический словарь юного техника. «Педагогика», 1987. 119 – 120с.

Жидкие кристаллы

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 28 Мая 2013 в 00:54, курсовая работа

Описание работы

Целью данной курсовой работы является подробно узнать о жидких кристаллах и изучить их.
Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
– проследить за основными событиями в открытии жидких кристаллов;
– определить структуру и классификацию жидких кристаллов;
– раскрыть физические свойства жидких кристаллов;
– изучить их современное применение.

Содержание работы

Введение
1 История открытия жидкого кристалла
2 Структура и классификация жидких кристаллов
2.1 Термотропные жидкие кристаллы
2.2 Лиотропные жидкие кристаллы
3 Физические свойства жидких кристаллов
3.1 Двулучепреломление
3.2 Дихроизм
3.3 Оптическая активность
4 Современное применение жидких кристаллов
Заключение
Список использованных источников

Файлы: 1 файл

zhk.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный технический университет»

Курсовая работа по теме:

Выполнил студент 2 курса

Проверил: доц. каф. БТиХ, к.х.н.

1 История открытия жидкого кристалла

2 Структура и классификация жидких кристаллов

2.1 Термотропные жидкие кристаллы

2.2 Лиотропные жидкие кристаллы

3 Физические свойства жидких кристаллов

3.3 Оптическая активность

4 Современное применение жидких кристаллов

Список использованных источников

Жидкие кристаллы — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью. Для жидких кристаллов характерно то, что они обладают чрезвычайно подвижной структурой, изменяющейся под воздействием сравнительно слабых внешних факторов, и это ведет к изменению макроскопических физических свойств образца. Следовательно, жидкие кристаллы — материалы с легко управляемыми свойствами, и в последние годы они нашли практическое применение в самых современных областях науки и техники. Большой интерес ученых к этому состоянию вещества обусловлен также важностью жидкокристаллических структур в молекулярной биологии и тем, что они дают богатую информацию для развития и совершенствования теории конденсированных сред [1].

Необычное сочетание слов “жидкие кристаллы”, вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не все себе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым понятием. Жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей (текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное. В то же время, вероятно, каждый второй человек носит при себе жидкокристаллические (ЖК) индикаторы и по несколько десятков раз в день посматривает на свои электронные часы. ЖК-циферблат, которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуляторов, портативных компьютеров “Notebooks”, миниатюрных плоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих других современных электронных технических и бытовых приборов и устройств.

Мировое производство ЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами, и по прогнозам будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование атеросклеротических бляшек — вот далеко неполный перечень процессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями — склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники.

Целью данной курсовой работы является подробно узнать о жидких кристаллах и изучить их.

Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

– проследить за основными событиями в открытии жидких кристаллов;

– определить структуру и классификацию жидких кристаллов;

– раскрыть физические свойства жидких кристаллов;

– изучить их современное применение.

1 Открытие жидких кристаллов

С точки зрения истории вопроса интересно, что Вирхов, будучи биологом и изучая строение живых клеток, еще в 1854 г. описал миелиновые фигуры. Миелиновые фигуры в клетке (водно-липидные системы) — это жидкокристаллические структуры. Однако открытие промежуточного «жидкокристаллического» состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру; он получил эфир холестерина — холестерилбензоат и обнаружил, что у этого соединения имеются две «точки плавления», при которых происходят фазовые переходы разного характера. При 145.5°С структура твердого холестерилбензоата разрушалась, и он превращался в мутную жидкость (теперь известно, что это жидкий кристалл), которая при дальнейшем нагревании до 178.5°С становилась прозрачной. Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы; твердая, жидкокристаллическая и жидкая. Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в одном из химических журналов в 1888 г.

Заинтересованный таким поведением подобных соединений, Рейнитцер обратился к немецкому физику Отто Леману, чтобы узнать его мнение о своих препаратах и побудить исследовать физические свойства этих соединений. Он писал: «Осмелюсь просить Вас исследовать более тщательно физическую изомерию двух прилагаемых веществ. Изучая эти вещества, удается наблюдать такие замечательные и прекрасные явления, что, я надеюсь, они окажутся в высшей степени интересными и для Вас. Это вещество имеет, если можно так выразиться, две точки плавления. При охлаждении появляются фиолетовый и синий цвета, которые затем быстро исчезают, причем вещество все еще остается жидким, но становится мутным. При дальнейшем охлаждении фиолетовая и синяя окраски появляются снова, и сразу вслед за этим вещество затвердевает, образуя белую кристаллическую массу. Помутнение при охлаждении вызвано появлением звездообразных агрегатов. При плавлении твердого вещества помутнение обусловлено не кристаллами, а жидкостью, которая образует в расплаве маслянистые бороздки» [2].

Образцы Рейнитцера исследовал физик Леманн в поляризационном микроскопе и установил, что исследуемая жидкость в мутном состоянии проявляет оптическую анизотропию. Исследованные им п-азоксифенетол, п-азоксианизол, олеат аммония, этиловый эфир п-азоксибензойной кислоты в определенных температурных интервалах имели, с одной стороны, свойства жидкости, а с другой, в связи с оптической анизотропией, свойства твердого тела. В исследуемых образцах Леманн установил наличие микрозон со спонтанной оптической анизотропией, что убедило его в том, что это новое, до сих пор не известное состояние вещества, которое он назвал жидкокристаллическим. Вначале Леманн ошибочно считал, что вещества в таком состоянии имеют очень подвижную объемную кристаллическую решетку. Одни экспериментаторы, изучавшие эти вещества, полагали, что имеют дело с эмульсиями, сильно рассеивающими свет, другие — что в веществах образуются микрокристаллы, окруженные пленкой жидкости, или, наоборот, капли жидкости, окруженные микрокристаллической оболочкой [3] .

Затем Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти состояния мезоморфными и подразделил их на три класса. Соединения первого класса (имея в виду их сходство с мылами) он назвал смектиками. Их характерной чертой является упаковка молекул бок-о-бок в последовательность слоев (за исключением смектика Б). Соединения второго класса были названы не матиками. Структура нематических веществ не столь регулярна, как у смектиков, однако они имеют сходные оптические свойства и обладают некоторой молекулярной упорядоченностью. Жидкие кристаллы третьего класса получили наименование холестериков, поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Однако сам Фридель не считал холестерики отдельным классом и рассматривал их как нематики.

Позднее Ринне предложил называть жидкие кристаллы паракристаллами, а также переименовать классы. Наиболее важным следствием его работы было утверждение, согласно которому встречающиеся в природе жидкие кристаллы тесно связаны с процессами жизнедеятельности. Хотя названия «мезоморфные состояния», «паракристаллы» и «анизотропные жидкости» продолжают использовать при описании поведения этих соединений, общепринят термин жидкий кристалл [2].

2 Структура и классификация жидких кристаллов

Наряду с термином «жидкие кристаллы» для названия вновь открытого состояния материи на протяжении многих лет употребляют и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние либо паракристаллы. Однако чаще всего наряду с термином жидкий кристалл применяется название анизотропная жидкость, а чтобы более детально подчеркнуть тип жидкого кристалла, употребляют следующие термины: нематическая_у смектическая или холестерическая жидкости.

Жидкие кристаллы получают не только плавлением, но и растворением некоторых твердокристаллических тел. С увеличением концентрации раствор вначале дает смектическую, затем нематическую и изотропную жидкости. Однако некоторые вещества в соответствующем растворителе дают кристаллы только одного типа, например холестерические жидкие кристаллы. Полученные таким способом кристаллы называются лиотропными, в отличие от термотропных кристаллов, полученных плавлением твердого вещества.

Классификация жидких кристаллов предложена Леманном, затем расширена Фриделем. По этой классификации выделяются три типа или группы жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из этих групп, различаются физическими, и, прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия.

Рисунок 1 – Ориентирование молекул в смектических жидких кристаллах

Смектическое мезоморфное состояние впервые наблюдалось в мылах (отсюда и название «смегма» — по-гречески мыло). В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своими длинными осями и образуют слои одинаковой толщины, близкой длине молекул. Эти, так называемые смектические слои лежат один над другим на одинаковом расстоянии (рисунок 1). Молекулярные слои в типичных смектических жидких кристаллах подвижны, легко перемещаются параллельно друг другу. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно высока. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, расположенными на близком расстоянии. Если связь между молекулами в отдельном слое частично нарушена, то вещество в пределах, слоя ведет себя как двумерная жидкость. По мере снижения температуры упорядочение в слоях увеличивается, а при достаточно низких температурах наблюдается упорядочение не только молекул в слоях, но и самих слоев и соответственно их взаимное прилегание. При дальнейшем понижении температуры появляется кристаллическая структура, т. е. может образоваться твердый кристалл с простейшей молекулярной структурой.

Хорошо известным примером лиотропного смектического двойного слоя являются пленки мыльных пузырей. Внутренние и внешние поверхности пленок и есть, собственно, смектические слои, разделенные в пузырях водной прослойкой. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.

В некоторых жидких кристаллах можно наблюдать под микроскопом наличие микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой емкости, в которой находится изучаемое вещество. Такие вещества относятся к группе нематических жидких кристаллов («нема» — по гречески нить). Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, а их центры размещены хаотично (рисунок 2). Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

Рисунок 2 – Ориентирование молекул в нематических жидких кристаллах

Третью группу жидких кристаллов, различающихся своими физическими и, прежде всего, оптическими свойствами, составляют холестерические жидкие кристаллы — холестерики. К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических жидких кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомов в молекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на примерно 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла (рисунок 3).

Рисунок 3 – Ориентирование молекул в холестерических жидких кристаллах

Некоторые из упомянутых веществ могут поочередно находиться в двух мезоморфных фазах: холестерической и смектической или нематической и смектической. Индивидуальных соединений, дающих нематическую и холестерическую фазы, не обнаружено [3].

2.1 Термотропные жидкие кристаллы

По номенклатуре, предложенной впервые Фриделем, термотропные жидкие кристаллы разделяют на три обширных класса: нематический, холестерический и смектический.

Нематический жидкий кристалл имеет высокую степень – дальнего ориентационного порядка, однако не имеет дальнего трансляционного порядка. Таким образом, в отличие от изотропной жидкости, его молекулы длинными осями спонтанно ориентированы приблизительно параллельно друг другу (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема молекулярного порядка в кристаллической, нематической и изотропной фазах

Направление преимущественной ориентации в среде обычно меняется от точки к точке, но если ориентация в образце однородна, то он оптически одноосен и обладает сильным, положительным двулучепреломлением.

Текучесть мезофазы обусловлена легкостью, с которой одни молекулы скользят относительно других, сохраняя параллельную ориентацию.

Сравнительно недавно в работах по рассеянию рентгеновских лучей было обнаружено, что некоторые нематики состоят из кластеров, содержащих около 10 2 молекул, так называемых циботаксических групп, причем группы упакованы в слои. В обычных нематиках циботаксические группы, если они там существуют, настолько малы, что не могут быть зарегистрированы методами рассеяния рентгеновских лучей.