149528 (Изучение двойного лучепреломления наведённое ультразвуком), страница 3

• поляризуемость молекулы в направлении распространения звуковой волны,

где а – эффективный радиус молекулы, имеющей сферическую форму.

Использование этого выражения приводит к тому, что величины в (21) и в (41) заменяются на

Модель, преломления Бадо, была использована для описания теории двулучепреломления в потоке.

Бадо предположил, что звуковая волна деформирует упругую сферическую молекулу так, что оси вращения получающегося эллипсоида совпадают с направлением распространения звуковой волны.

Тензор деформации при этом имеет вид

где

- коэффициент упругости, - вязкость растворителя.

Ориентации и деформации молекул противодействует эффект теплового движения молекул, который не только стремится дезориентировать молекулы по отношению к преимущественной ориентации, но и вызывают флуктуации формы молекул.

В итоге

где

в (50)

Это выражение для акустического двойного лучепреломления в растворе макромолекул во многих отношениях совпадает с выражением Петерлина.

§4 Анализ основных выводов теории двойного лучепреломления наведённого ультразвуком.

Основным выводом из всех вышеперечисленных теорий акустического двойного лучепреломления является зависимость величины двулучепреломления от квадратного корня из интенсивности ультразвуковой волны и частоты ультразвука для чистых жидкостей и растворов макромолекул и изменение величины двулучепреломления, пропорциональное интенсивности звука, для коллоидных растворов. Физическими механизмами, обуславливающими ориентацию молекул или частиц, взвешенных в жидкости, являются в первом случае наличие градиента скорости в поле звуковой волны в жидкости, характеризующейся коэффициентом динамической вязкости , а во втором случае ориентация частиц в растворе происходит благодаря эффекту давления излучения ультразвуковой волны.

Теории для чистых жидкостей предсказывают уменьшение величины n с уменьшением вязкости жидкости.

Теория Петерлина является наиболее полно отражающей поведение молекул в поле звуковой волны. Её законность зависит от применимости уравнения Джеффери, которое может быть использовано лишь для случая, когда можно пренебречь инерциальными силами и квадратичными членами уравнений Навье – Стокса по сравнению с поверхностными силами. Это условие справедливо, когда , где - число Рейнольдса, G – максимальное значение градиента в поле звуковой волны, а – большая ось эллипсоида, и соответственно плотность и вязкость раствора.

Теории, представленные выше, хотя и не могут претендовать на абсолютную законность и правильность, указывают на высокую значимость изучения эффекта акустического двулучепреломления. Исследования акус­тического двулучепреломления дают белее детальную информацию о моле­кулярной структуре, чем та, которую получают из измерений двулучепреломления в потоке из-за того, что последние не позволяют измерить коэффициент вращательной диффузии D потому, что угол наклона молекул к плоскости течения всегда составляет 45. Получить значение можно из результатов измерений релаксационных эффектов при акустическом двулучепреломлении. Для растворов деформируемых молекул появляет­ся возможность связать изменение времен релаксации с различными молекулярными процессами.

Глава II

Экспериментальная часть

§1 Акустооптическая установка для исследования двулучепреломления в изотропной фазе жидких кристаллов, наведённого ультразвуком.

Акустооптическая установка для реализации и наблюдения двойного лучепреломления наведённого ультразвуком, в изотропной фазе жидких кристаллов была собрана акустооптическая установка, общий вид которой схематично представлен на рис.1.

Основными узлами установки являются : задающий генератор импульсов Г5-15, модулятор, генератор звуковой частоты ГЗ-41, частотомер ЧЗ-41 осциллограф С1-74, фотолектронный умножитель ФЭУ-79, гелий-неоновый лазер ЛГ- 38, термостат с помещенной в него кюветой, содержащей исследуемый образец, поляризатор, анализатор, фокусирующая система, электромеханический модулятор, а также два нейтральных светофильтра, ослабляющие световой поток соответственно в 12 и 145 раз.

Задающий генератор Г5-15 генерирует прямоугольный импульс длительностью 10 мкс. и амп­литудой 100 В /частота следования импульсов 500 Гц/, который подается на осциллограф, синхронизируя его развертку, и на модулятор, где усиливает­ся до напряжения 600 В. Усиленный модулятором импульс подается на анод генерирующей лампы генератора ГЗ-41, работающего в режиме генераций толъко во время действия задающего импульса. Генератор ГЗ-41 может работать и в непрерывном режиме, который используется при настройке и юстировке установки. Электрические сигналы с генератора ГЗ-4Т поступают на пьезопластинку, наклеенную на боковую стенку, кюветы с исследуемым образцом. Пьезопластинка преобразует электрические сигналы в упругие волны, которые начинают распространяться в исследуемой жидкости. Частота генератора ГЗ-41 контролируется частотомером ЧЗ-35А. Кювета с исследуемым образцом помещена в термостат, где ее температура контролируется с точностью 0.05 К. По обе стороны от кюветы установлены поляризатор и анализатор, причем поляризатор установлен таким образом, что на выходе из него свет поляризован под углом 45 относительно направления вертикали. Проходя через поляризатор, фокусирующую систему, кювету и анализатор, луч от гелий-неонового лазера /длина волны 6328 А/ ЛГ-38 принимается фотоумножителем ФЭУ-79, сигнал с которого подается на осциллограф. Универсальный двухлучевой осциллограф С1-74 позволяет одновременно фиксировать электрический сигнал с генератора ГЗ-41 /напряжение на пьезо-пластинке/ и сигнал с фотоэлектронного умножителя. Электромеханический модулятор представляет собой диск из непрозрачного материала, закреплен­ный на роторе электродвигателя, подключенного к источнику питания постоянного тока напряжением 24 В. На краю диска сделан прямоуголъный вырез. Электромеханический модулятор в совокупности с двумя нейтральными светофильтрами, ослабляющими световой поток. соответственно в 12 и 145 раз, служит для определения интенсивности лазерного луча при параллельном положении поляризатора и анализатора в отсутствие в среде ультразвуковой волны.

§2 Термостатирование исследуемых образцов.

При экспериментальном исследовании жидких кристаллов в области перехода "изотропная фаза - мезофаза" ролъ термостатирования образцов очень значительна. Необходимость высокой стабильности термостатирования вблизи фазового перехода связана с тем, что характерным масштабом изменения физических величин в этом случае является величина

где Т - текущая температура, а Т^* - температура фазового перехода второго рода. Кроме того восприимчивость исследуемых веществ к внешним воздействиям, в том числе и к тепловым, сильно возрастает по мере приближения к Т.

Для оценки требований, предъявляемых к термостату при исследованиях жидких кристаллов вблизи перехода их в мезофазу, можно ввести следующие параметры:

1. Погрешность поддержания средней температуры образца Т.

2. Перепады температуры /градиенты/ в образце Т.

3. Погрешность измерения температуры образца  T_n .

Поскольку в изотропной фазе жидких кристаллов Т_n – Т_n^* обычно бывает порядка 1°К, то и . Погрешность измерения температуры образца должна быть такого же порядка.

Для решения поставленных задач был изготовлен термостат с электрон­ной системой регулировки а поддержания заданной температуры /рис.4/. Основной частью является термостатируемый блок/1/, изготовленный из дюралюминия, с полостью для кюветы и отверстием для термометра. Дюра­левый блок помещался внутрь азбоцементного кожуха /2/. Для лучшей термоизоляции пространство между дюралевым блоком и асбоцементным кор­пусом заполнялись азбестовой крошкой /З/. Поскольку тепловыделение в кювете отсутствовало, и она находилась в тепловом контакте с дюрале­вым блоком, мы считали, что температура кюветы была равна температуре блока. По внешней цилиндрической поверхности блокач в специалъно проточенных канавках располагались термометрический мост /два плеча из медного провода и два из манганинового/ с сопротивлением плеч 30 ОМ и два нагревателя из нихромового провода по 36 Ом каждый. Балансировка моста при различных температурах проводилась внешним смещением в измерительной диагонали моста. Схема регулятора температуры блока приведена на (рис.5). Измерительный мост и источник смещения в цепи моста питались от батарей постоянного напряжения 1.4 В . Экспериментальные измерения погрешности поддержания средней темпера­туры образца, а также перепадов температуры в верхней и нижней частях образца, проведенные с помощью термопары, показали, что в термостате во всем интервале термостатирования от З00^оК до 425°К

Измерения температуры дюралевого блока в ходе эксперимента проводились с точностью  0.01К

§3 Подготовка образцов к исследованию.

При наличии химически чистого вещества основная задача по очистке сводится к обеспыливанию образца. Общеизвестным и наиболее надёжным способом очистки жидкостей от пыли является их многократная перегонка, но жидкие кристаллы обеспыливатъ таким способом, ввиду их физико-химических свойств, очень трудно. Поэтому нами был использован способ фильтрования образцов через плотный тефлоновый фильтр с диаметром пор 0.2 мкм.

Для фильтрования был изготовлен специальный держатель фильтра, /рис. 3/, изготовленный из нержавеющей стали. 0собенность фильтрования за­ключается в том, чтобы отфильтрованная часть образца не соприкасалась с атмосферным воздухом и не загрязнялась им. Кратко опишем ход фильтрования.

Держатель фильтра б помощью резинового уплотнительного кольца и металлической гайки соединялся со стеклянной трубкой, к которой был приварен шарик для ополаскивания и кювета. В трубке имелось также олива для откачки воздуха из системы. Общий вид системы филътрования показан на (рис.3). В корпус держателя фильтра наливался расплав фильтруемого образца и через оливу проводиласъ откачка воздуха из системы с помощью форвакуумного насоса. В результате созданной таким образом разности давлений расплав продавливается через фильтр. После заполнения кюветы на 1/3 проводилось ополаскивание кюветы, а затем эта порция сливалась в боковой шарик.

Все операции проводились без разгерметизации фильтрующей системы. Ополаскивание проводилось тремя порциями расплава и сводило содержание пыли в кювете к минимуму, а затем кювета заполнялась полностью. Потом держатель фильтра закрывался крышкой с тефлоновым уплотнением и в кювете создавался вакуум. Откачав из заполненной сиетемы, воздух и перекрыв шланг для откачки на оливе, кювета отпаивалась.

§4 Методика измерения двулучепреломления наведённого ультразвуком в изотропной фазе жидких кристаллов.