Modern Fizika Labor Fizika BSC

Átírás

1 Modern Fizika Labor Fizika BSC A mérés dátuma: február 23. A mérés száma és címe: 17. Folyadékkristályok Értékelés: A beadás dátuma: március 2. A mérést végezte: Zsigmond Anna Márton Krisztina

2 1. Folyadékkristályok fázisátalakulásának vizsgálata Mérés célja: a folyadékkristályok fázisátalakulásának megfigyelése, valamint a törésmutató h ı mérsékletfüggésének vizsgálata. Mérési összeállítás: Mérés menete: A folyadékkristály cellát f ő tjük szabályozható kályhával. Az erny ı n lév ı két pont helyzetét (d 1, d 2 ) mérjük milliméterpapíron, a töretlen lézersugár referenciapontjához képest. Kiértékelés: A kett ı s tör ı tulajdonság a folyadékkristály-folyadék fázisátalakuláskor megsz ő nik, ezért az erny ı n lév ı pontok összeérnek. Az 1. ábrán látható a pontok helyzete a h ı mérséklet függvényében. Az ábráról leolvasható a fázisátalakulási h ı mérséklet (Curie-pont): T C =35,8±0,1 C A pontok helyzetéb ı l számolható, hogyan függ a h ı mérséklett ı l a cella törésmutatója. Az ábrán látható, hogy az ordinárius (fels ı pontok) sugárhoz tartozó törésmutató kevésbé függ a h ı mérséklett ı l, mint az extraordinárius (alsó pontok). A törésmutató számolása: sin( α + φ( T )) n( T ) =, sin( α) ahol α =2 a prizma tör ı d szöge, és φ = arctg, ahol L=4605±5 mm a prizma és az ernyı L távolsága. A törésmutató hibáját a hibaterjedés szabályai szerint számoljuk úgy, hogy a szög szinuszát a szöggel közelítjük, mivel sugár eltérülése kicsi: 1

3 A következ ı n d L + n d L táblázatban látható ennek a számításnak az eredménye: T ( C) d o (mm) d e (mm) n o n e 24, ,54±0,01 1,73±0,01 25, ,54±0,01 1,73±0,01 27, ,54±0,01 1,73±0,01 28, ,55±0,01 1,72±0,01 30, ,55±0,01 1,71±0,01 32, ,55±0,01 1,71±0,01 33, ,55±0,01 1,70±0,01 34, ,55±0,01 1,69±0,01 34, ,56±0,01 1,68±0,01 35, ,56±0,01 1,68±0,01 35, ,57±0,01 1,67±0,01 35, ,60±0,01 1,60±0,01 36, ,60±0,01 1,60±0,01 39, ,60±0,01 1,60±0,01 2. Folyadékkristály kijelz ı k vizsgálata Mérés célja: A csavart nematikus és a ferroelektromos cella elektrooptikai vizsgálata és összehasonlítása. Mérési összeállítás: Mérés menete: Mindkét cellán megvizsgáljuk az átmen ı fény intenzitásának id ı függését különböz ı jelalakú 100 Hz frekvenciájú feszültség rákapcsolásával. A jeleket oszcilloszkópon figyeljük meg. Kisebb frekvenciájú négyszögjelet kapcsolva a cellákra az oszcilloszkópon megjelen ı exponenciális alakú jelb ı l kiszámoljuk a cella id ı állandóját. A csavart nematikus cella esetén mérjük a fény intenzitásának változását 100 Hz frekvenciájú szinuszjel amplitúdójának függvényében. A csavart nematikus cella: A cella hosszában a direktor iránya folytonosan változik 90 -ot, így a bejutó polarizált fény polarizációját 90 -kal elforgatja. Az els ı polarizátor úgy van elhelyezve, hogy a bemen ı fény polarizációja a direktor irányával egyezzen meg, a másik polarizátort 90 -kal elforgatva van beállítva. Ha elektromos teret kapcsolunk a cella két végére, akkor a folyadékkristályok 2

4 beállnak a tér irányába, így az áthaladó fény polarizációja nem változik, vagyis nem jut át a második polarizátoron. A következ ı ábrákon látható, hogy különböz ı 100 Hz-es jelekre, milyen a jelalakja a fotométeren mért feszültségnek. A szinuszjel esetén a kapott jel egy kétszeres frekvenciájú közel koszinusz függvény. A frekvenciakett ı z ı dés oka, hogy egy periódusban kétszer t ő nik el a tér, amikor a fény intenzitásának maximuma van. Ezen kívül egy fáziseltolódás is látható, ami a folyadékkristályok beállásának véges sebességéb ı l adódik. A háromszögjel esetén a kimen ı jel hasonlít az el ı z ı esethez. A négyszögjel esetén egy f ő részfogjelhez hasonló függvényt kaptunk. Egy kisebb frekvenciájú négyszögjelet a cellára kapcsolva megfigyelhetjük a jelnek a folyadékkristályok beállásából adódó exponenciális fel- illetve lefutását. Erre a görbére exponenciális függvényt illesztve megkaphatjuk a cella id ı állandóját. A következ ı két képen látható az illesztett függvény, és a jel, amire illesztettünk. Az illesztésb ı l a cella id ı állandója: n =8,2±0,2 ms 3

5 Ennél a cellánál megvizsgáltuk, hogy különböz ı amplitúdójú szinuszjelekre, hogyan változik a fény intenzitása. A következ ı ábrán látható a fotométeren mérhet ı feszültség csúcstól-csúcsig értéke a jelgenerátor csúcstól-csúcsig feszültségének függvényében: Az ábráról leolvasható, hogy egy ilyen cellákból felépül ı kijelz ı t 4 V amplitúdójú feszültséggel érdemes üzemeltetni, mert ennél a feszültségnél, van a legnagyobb kontraszt a sötét és világos között. A ferroelektromos cella: A ferroelektromos cellában a direktor iránya nem esik egybe a rétegnormális irányával, de mind a kett ı mer ı leges a polarizáció irányára. Ha megváltoztatjuk a küls ı elektromos tér irányát, akkor a polarizáció megfordul, tehát a direktor a rétegnormális síkjában elfordul. A cella el ı tt és után keresztezett polarizátorokon abban az esetben jut keresztül a fény, ha a bejöv ı fény polarizációja és a direktor iránya nem esik egybe, mert ilyenkor a kijöv ı fény elliptikusan polarizált, tehát van a második polarizátor irányába es ı komponense. Ezek alapján a cella kapcsolószer ő en m ő ködik, tehát vagy van fény vagy nincs az elektromos tér irányától függ ı en. A különböz ı jelalakokra kapott választ mutatják be a következ ı képek. Mindhárom esetben a kimen ı jel egy lekerekített négyszögjelhez hasonlít, és a frekvenciája megegyezik a bemen ı jel 100 Hz-es frekvenciájával. 4

6 Egy kisebb frekvenciájú négyszögjelet a cellára kapcsolva megfigyelhetjük a jelnek a folyadékkristályok beállásából adódó exponenciális fel- illetve lefutását. Erre a görbére exponenciális függvényt illesztve megkaphatjuk a cella id ı állandóját. A következ ı két képen látható az illesztett függvény, és a jel, amire illesztettünk. Az illesztésb ı l a cella id ı állandója: f =26,9±0,5 ms A cellák összehasonlítása: A kimen ı jel frekvenciája a csavart nematikus cella esetében megkett ı z ı dik, a ferroelektromos esetén pedig nem változik. A ferroelektromos cella kapcsolószer ő en viselkedik, nincs átmenet a sötét és a világos között. A cellák id ı állandójának számolásából kiderül, hogy a csavart nematikus cella gyorsabban beáll a megváltozott tér irányába, mint a ferroelektromos. 5