Митрохин В.Н. Электродинамические свойства материальных сред (2006) (1247706), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Более того, при распространении света вдоль спиральнойоси оптика киральных смектиков оказывается полностью аналогичной оптике холестериков. Это значит, что в киральных смектиках так же, как в холестериках, проявляется селективное отражение света круговой поляризации, наблюдается зависимость вращения плоскости поляризации света от длины волны.Следует отметить, что у большинства известных киральныхсмектиков шаг спирали оказывается больше, чем у аналогичных66холестериков, и лежит в диапазоне длины волны инфракрасногоизлучения. Поэтому для киральных смектиков соответствующиеэффекты проявляются в инфракрасном диапазоне.Механизм влияния внешнего электрического поля на структуру кирального смектика также оказывается более сложным.
Если вслучае холестерика механизмом этого влияния является толькоанизотропия диэлектрических свойств ∆ε (не говоря об электрогидродинамических неустойчивостях), то для сегнетоэлектрических смектиков определяющее значение имеет взаимодействиедипольного момента с внешним полем, что приводит к иным искажениям молекулярной спирали.При достаточно сильном поле (больше напряженности критического поля Ес) происходит раскрутка спирали, однако в отличие отхолестериков при этом у смектика возникает двухдоменное состояние, а не состояние с постоянным направлением директора (вдольполя) во всем объеме. В двухдоменном состоянии два директора разделены доменной стенкой, узкой областью вдоль спиральной оси, вкоторой происходит быстрый переход ориентации директора от одного направления к другому. Для того чтобы реализовать такое состояние, возникающее из-за конкуренции электрического и дипольного механизмов взаимодействия, приложенное поле не должно бытьнамного больше критического, поскольку при дальнейшем увеличении поля смектик, как и холестерик, переходит в однодоменное состояние с постоянной во всем объеме ориентацией директора.Смектики проявляют наиболее многообразные электродинамические свойства по сравнению с другими жидкими кристаллами.
Вто же время они представляют собой наименее исследованнуюразновидность жидких кристаллов. Поэтому в приложениях смектики пока используются меньше, чем холестерики и нематики.6.5. Лиотропные жидкие кристаллыВ разд. 6.1–6.4 были рассмотрены среды, переход в ЖК-фазукоторых наблюдается при изменении температуры. Полное название соответствующих жидких кристаллов – термотропные жидкиекристаллы. Однако слово «термотропные» часто опускают.Оказывается, что жидкие кристаллы могут образовываться прирастворении некоторых веществ в воде или других растворителях,причем ЖК-фаза (или фазы) в этом случае наблюдается в строгоопределенном интервале концентраций растворяемого вещества и67растворителя. Такие жидкие кристаллы называют лиотропными.Они привлекают к себе большое внимание специалистов и ученых.Это объясняется тем, что лиотропными ЖК-фазами обладаетбольшее число материалов, нежели термотропными фазами, атакже тем, что лиотропные жидкие кристаллы играют значительную роль в биологии.Основные закономерности образования лиотропных жидких кристаллов можно пояснить на примере простого мыла, которое образуетлиотропные ЖК-фазы.
Молекула мыла имеет углеводородную часть,умеренно растворимую в воде, и полярную «головку», очень хорошорастворимую в воде. При малой концентрации молекул мыла в водесуществует истинный раствор. При повышении концентрации из-заразличного сродства разных частей молекул к воде они имеют тенденцию объединятся в ассоциаты, так называемые мицеллы, в которыхуглеводородные части молекул экранированы от воды полярными «головками». При дальнейшем повышении концентрации мицеллы могутупорядочиваться, переходя при еще больших концентрациях в ламинарную (слоистую) фазу.
Таким образом, в разных интервалах концентрации осуществляются различные лиотропные ЖК-фазы.Такого же типа ЖК-фазы, как у мыла, могут образовывать и некоторые другие вещества. Причем в качестве растворителя вместоводы могут выступать и другие жидкости. В частности, к подобному поведению склонны биологически активные молекулы, например липиды, имеющие тенденцию в некоторых растворах образовывать мацилярные и ламинарные структуры. Такие ЖК-фазы,представляющие большой научный интерес, и в частности для биологии, пока что недостаточно изучены.
Тем не менее уже известныпрактические применения лиотропных жидких кристаллов. Например, в медицине материалы, образующие лиотропные жидкие кристаллы, применяются для изготовления капсул, защищающих лекарства от разрушения ферментами пищеварительного тракта.6.6. БиоэлектрикиЭлектрические свойства биологических тканей организма вомногом определяются количественным содержанием в них минеральных ионов воды, а также других заряженных и дипольных молекул. По содержанию воды ткани условно можно подразделитьна жидкие (кровь, лимфа), с высоким содержанием воды (внутренние органы, мышцы и др.) и содержащие мало воды (жироваяткань, кости, костный мозг).68Рассеивание электромагнитной энергии в биологической тканив основном связано с колебаниями зарядов (потери проводимости)и релаксацией дипольных молекул (диэлектрические потери), соотношение между которыми выражают тангенсом угла электрических потерь tgδэ.
Для биологических тканей с высоким содержанием воды в СВЧ-диапазоне tgδэ ≈ 1.Диэлектрическая проницаемость и электропроводимость биологических объектов меняются с частотой электромагнитного поля, т. е. имеет место дисперсия диэлектрической проницаемости иэлектропроводности (табл. 6.1 и 6.2).Таблица 6.1Диэлектрическая проницаемость ε′ различных тканей при 37 ºСВид тканиМышцыПеченьЖирКостныймозгЧастота, МГц5085–9788–9311–1310020040071–765552–5476–79 50–55 44–51–4,5–7,5 4–76,8–7,7–––70010003000850052–53 49–52 45–48 40–4242–51 46–47 42–43 34–38–5,3–7,5 3,9–7,2 3,5–4,5–4,3–7,3 4,2–5,8 4,4–5,4Таблица 6.2Проводимость σ различных тканей при 37 ºСВидтканиЧастота, МГц50Мышцы 0,90–0,85Печень100–2004007001 0003 0009,52–10,5 11,1–11,8 12,7–13,7 12,7–13,3 21,7–23,38 50083,35,13–5,78 5,59–6,496,67–9,09 7,69–9,52 8,7–11,8 9,43–10,2 20,0–20,4 58,8–66,7Жир0,40–0,59Костный0,20–0,36мозг––0,29–0,95 0,36–1,11–––0,83–1,49 1,11–2,27 2,7–4,17–0,43–1,0 1,16–2,25 1,67–4,767.
МАГНЕТИКИМагнетиками называют среды, способные намагничиваться.Введем, как и в разд. 1.1, вектор намагниченности М, определяемый выражением69∆p м n= ∑ p Ma i = χ м H ,∆V →0 ∆Vi =1M = lim(7.1)где n – число атомов в единице объема; ∆p м – вектор магнитногомомента объема ∆V ; p Ma i – магнитный момент атома.Вектор магнитной индукции определяется через векторы М иН и имеет видВ = µ0(Н + М) = µаН,(7.2)где µа /µ0 = µ – относительная магнитная проницаемость вещества;µа – абсолютная магнитная проницаемость вещества.Элементарный магнитный диполь представляет собой движущийся по орбите электрон, обладающий орбитальным магнитныммоментом. Кроме того, он имеет собственный так называемыйспиновый момент (т.
е. вращение вокруг своей оси). Во внешнемпостоянном магнитном поле напряженностью Н0 возникает прецессия вектора магнитного поля электрона и появляется дополнительный орбитальный момент, направленный против вектора Н0.7.1. Диамагнетики и парамагнетикиУ диамагнетиков магнитный момент атома p Mai , определяемый магнитным моментом электронов, в отсутствие внешнегомагнитного поля равен нулю (Н0 = 0), т.
е. p Mai = 0. Во внешнеммагнитном поле (Н0 ≠ 0) вследствие возникновения прецессионного магнитного момента p пр , магнитный момент атома становитсяотрицательным и вектор М направлен против вектора поля, чтосоответствует магнитной восприимчивости χм ≠ 0.Можно выделить три группы диамагнетиков: 1) нормальныедиамагнетики (инертные газы, металлы: медь, серебро, золото,цинк, кадмий), магнитная восприимчивость которых не зависит оттемпературы и имеет малое по абсолютной величине значениеχм ≈ 10−6 ; 2) аномальные диамагнетики (висмут, сурьма, галлий,графит), у которых магнитная восприимчивость χм имеет повышенное значение; в то же время намагниченность принимает разные значения в зависимости от направления магнитного поля;703) сверхпроводники, они ведут себя как идеальные диамагнетики,внутри которых В = 0.Из соотношений (7.1) и (7.2) получаем χм = −1.
Следовательно,сверхпроводники можно рассматривать как сверхдиамагнетики.У парамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поляН0 = 0, p Mai ≠ 0. Однако в случае хаотической ориентации атомныхмоментов намагниченность парамагнитной среды равна 0. В присутствии внешнего поля (Н0 ≠ 0) происходит соответствующаяориентация собственных атомных моментов, причем p Mai >> p пр исуммарный магнитный момент совпадает с направлением внешнего магнитного поля, т.
е. χм > 0.Намагниченность среды при постоянном магнитном полеуменьшается с увеличением температуры, так как тепловое движение частиц разрушает упорядоченность ориентации моментов.При фиксированной температуре намагниченность растет с увеличением внешнего магнитного поля, стремясь к пределу (насыщению), когда все элементарные моменты выстраиваются в одномнаправлении.Магнитные свойства парамагнетиков связаны с наличием нескомпенсированных магнитных моментов электронов незаполненных оболочек. Примером парамагнетиков являются ионы группыжелеза ( Fe3+ , Cr 3+ , Mn 2+ , Co 2+ и т. д.) с незаполненной внешнейэлектронной оболочкой, а также ионы редкоземельных элементовс незаполненной внутренней оболочкой.Магнитный момент частицы p м связан с механическим моментом Кмех соотношением: p м = – γКмех, где γ – гиромагнитноеотношение.
Тогда вектор намагниченности М без учета потерьудовлетворяет уравнению dМ/dt = – µ0γ[М, Н] и при наличиитолько постоянного внешнего магнитного поля H0 это уравнениепринимает вид dМ/dt = –µ0γ[М, Н0]. Согласно этому уравнениювектор намагниченности М прецессирует вокруг направления постоянного магнитного поля Н0 с частотой ω0 = µ0γН0. (Частота ω0называется ларморовой частотой прецессии.) Угол прецессии остается неизменным (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
