Опубликовано по п.16 Приложения № 1 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЖКВ Вертинский П. А. г. Усолье-Сибирское
pavel-35@mail.ru
1.Краткое введение.
LiquidCristall - жидкие кристаллы - / ЖКВ/ - этими латинскими словами обозначена большая группа веществ, обладающих специфическими свойствами и нашедших применение в современной микроэлектронике /1/. Поэтому наш анализ динамических свойств ЖКВ представляется возможным обозначить словосочетанием “ликвикристаллодинамика”, возможно, допуская какие-то лингвистические вольности, но с достаточной определенностью указывая на область наших исследований .
К настоящему времени физика и химия ЖКВ установили существование термотропных , лиотропных и полимерных жидкокристваллических веществ, в которых типы упорядочения структур подчиняются трем большим группам : нематики , смектики и холестерики, наглядное представление о которых можно иллюстрировать как на рис.1, рис.2 и рис.3 . При этом обнаруживается отчетливая зависимость типа упорядочения от химической структуры ЖКВ , как это иллюстрируется на рисунках соответственно : рис.1-б, рис.2-б и рис.3-б. /2/.
-
- 2 -
Вместе с тем,описание вязко-упругих свойств ЖКВ занимает в публикациях исключительно малое место . В разделе физико-химических свойств ЖКВ подавляющего числа публикаций эти сведения ограничены преимущественно результатами исследований зависимости вязко - упругих свойств ЖКВ от температуры и концентрации компонент ЖКВ, что отражает соответствующе внимание исследователей данному разделу свойств ЖКВ /3/.
Cогласно современным выводам физики жидких кристаллов вопрос о превращении энергии электромагнитного поля в механическую работу за счет деформации жидкокристаллического вещества остается открытым. Действительно, открытое в 1861 году Планаром и подробно исследованное уже к 1886 году Рейнитцером и Леманном жидкокристаллическое вещество не могло заинтересовать технику до возникновения объективно исторических потребностей в свойствах данного состояния ЖКВ в электрооптических устройствах. Поэтому только с началом интенсивного развития электрооптики возникло и опережающее развитие исследований жидкокристаллических веществ /3/. При этом обращает на себя внимание динамика роста не только числа новооткрываемых свойств ЖКВ , но и неограниченное увеличение числа соединений , обладающих такими свойствами /4/, среди которых доля синтезированных ЖКВ подавляет долю новооткрытых в природе веществ типа ЖКВ.
2.Возникновение задачи.
Упомянутые исследования уже в конце первого периода изучения ЖКВ обнаружили существование волн плотности, особенно отчетливых для А-фазы смектического типа упорядочения , показанный на рис.4, где направление оси ОZ вдоль директора ЖКВ /3/. Одновременно с открытием ЖКВ обнаружилась и анизотропия упругих свойств, которая характеризуется тремя моулями упругости , посредством которых можно выразить плотность свободной энергии, обусловленной произвольной деформацией /2/ :
(1), где а - элементарная деформация в ЖКВ.
В общем случае типы упорядочения структур ЖКВ обладают специфическими свойствами упругости , но для всех типов – нематиков /НЖК/, смектиков /СЖК/ и холестериков /ХЖК/ - общим свойством
- 3 -
является различие модулей упругости между собой, так что для каждого ЖКВ справедливо для любого типа деформации условие:
(2)
Несмотря на эту анизотропию упругости ЖКВ вследствие двумерного характера упорядоченности в ЖКВ из (1) получить вывод о возможности совершения упругими силами механической работы не представляется возможным /3/.
Одним из существенных свойств всех ЖКВ является их способность изменять направление директора под влиянием оринтирующих факторов различной природы , среди которых наиболее эффективными являются: влияние опорной поверхности /подложки/, ориентация директора под действием электрического Е и магнитного Н полей, ориентация в потоке ЖКВ /3/. Уместный в этой связи вопрос о совместном влиянии различных факторов на состояние ЖКВ можно рассматривать в статике или динамике.
Практически все публикации о результатах исследований вязко-упругих свойств ЖКВ посвящены статическому состоянию ЖКВ в условиях одновременного действия различных ориентирующих факторов , что отражает выше отмеченную потребность свойств ЖКВ для нужд электрооптики , где они используются преимущественно в статике./2/ ,/4/.
В свете этих замечаний представляется понятной невостребованность практикой вопроса о механической работе упругих сил ЖКВ , который вследствие данного обстоятельства в истории исследований свойст ЖКВ остается пока открытым.
3.Электро-механический эффект в ЖКВ.
Из всех возможных вариантов комбинированного совместного влияния ориентирующих факторов на ЖКВ здесь требуется рассмотреть энергетический баланс в случае одновременного действия подложки и электрического поля на ЖКВ в случае изменения одного из них во времени . Такую возможность нам представляет условие вращающегося
поля, которое возможно создать ,например, в области между электродами симметричной трефазной системы, как это показано на рис.5.
Действительно, если напряженности по фазам трехфазного симметричного поля выразить :
(3а)
(3б)
- 4 -
(3в)
то, направив, например, по направлению АВ ось ОХ, для суммы проекций общей напряженности этого поля по осям ОХ и ОУ получим соответственно :
(4а)
(4б)
Таким образом , результирующая напряженность трехфазного симметричного электрического поля имеет величину :
(5)
и вращается в пространстве между электродами по порядку следования фаз напряженности в уравнениях (3а),(3б),(3в), так как :
, (6)
где скорость вращения определяется частотой изменения поля и числом р - электродов в каждой фазе напряженности :
(7)
Так как свободная энергия ЖКВ по (1) в статическом поле возрастает на величину энергии поляризации /2/ , то это обстоятельство позволяет нам показать справедливость следующей теоремы :
Свободная энергия по сечению ЖКВ в плоскости электрического поля распределяется по эллиптическому закону.
Для доказательства этой теоремы, например, для НЖК примем во внимание способность его типа упорядочения , при этом , как это известно /2/, опуская члены, содержащие модули упругости и если ось ОZ направлена по полю Е , как это показано на рис. 6.
Тогда выражение (1) для НЖК в электрическом поле по /2/ можно записать :
2 (8)
где , (9)
которое можно расписать в проекциях поля по координатным осям ОХ и ОУ:
- 5 -
, (10)
то есть для приращения свободной энергии НЖК в электрическом поле имеем:
(11)
Так как левая часть уравнения (11) второй степени положительна и конечна , то данное уравнение выражает собой уравнение эллипса , что и является подтверждением справедливости нашей теоремы.
Учитывая модули упругости для типов упорядочения СЖК или ХЖК для соответствующих направлений оси ОZ, можно аналогично показать и справедливость данного положения для других типов упорядочения ЖКВ.
Если теперь представить электрическое поле в выражении (11) вращающимся, например, по закону (7), то результат энергетического баланса определится наличием и других факторов.
Так, например , при отсутствии ориентирующей подложки в ЖКВ мы должны будем принять весь расход электроэнергии при вращении поля на переориентацию молекул ЖКВ, то есть в конечном счете на нагревание ЖКВ. При этом необходимо отметить, что в силу ориентирующего действия электрического поля на ЖКВ переориентация молекул носит асинхронный характер, поэтому можно считать , что вслед за вращением поля Е с некоторым запаздыванием вращается и энергетический эллипс распределения свободной энергии по сечению ЖКВ в плоскости поля Е.
При отсутствии общей связи между слоями молекул ЖКВ такой асинхронный поворот не может совершить механическую работу, но легко себе представить, что ЖКВ помещено в систему связанных между собой ориентирующих поверхностей - подложек, как это показано на рис.7. Тогда поворот формального эллиптического распределения энергии оказывается связанным с образованием вращающего момента, так как:
(12) .
что схематически можно показать как на рис.8
При сильном сцеплении молекул ЖКВ с подложкой , что характерно для большинства ЖКВ /3/, когда энергия взаимодействия молекул ЖКВ с поверхностью подложки сравнима с энергией взаимодействия молекул ЖКВ между собой, поворот поля Е неизбежно обусловит не только
- 6 -
поворот директора ЖКВ, но и самой подложки, что и создает механический момент вращения (12).
Разумеется, полное превращение в механическую работу всего приращения (11) свободной энергии ЖКВ невозможно вследствие реальных тепло - и электропроводности ЖКВ /4/, но с учетом изложенного для полного энергетического баланса в данном случае необходимо учесть и механические потери :
, (13)
где: dQ - количество теплоты, выделенной в ЖКВ вследствие электропроводности ЖКВ, а dA - механическая работа вращающего момента сил по (12).
Таким образом, в полном соответствии со вторым началом термодинамики , в результате совместного влияния ориентирующих факторов подложек ЖКВ и вращающегося электрического поля энергия электрического поля частично превращается в потенциальную энергию деформаций слоев данной области ЖКВ , которая расходуется на механическую работу поворота подложек в соответствии с поворотом директора данной области ЖКВ.
4.Проявления и возможные приложения электро-механического эффекта в ЖКВ.
Как это показано выше, в силу приоритетности исследований свойств ЖКВ в статических условиях для нужд электрооптики современные публикации результатов исследований свойств ЖКВ ограничиваются зависимостью вязко-упругих свойств ЖКВ от температуры и концентрации компонент. Вместе с тем, за историю исследований и применения ЖКВ оказались обнаруженными и такие результаты , которые косвенно подтверждают наши выводы об электро-мехпаническом эффекте в ЖКВ,являясь его проявлением.
Так, например, в монографии /2/ на стр.157 отмечено, что: »…оптически регистрировалась скорость передвижения жидкого кристалла за счет силы , где пространственный заряд появляется вследствие флексэффекта…» : (14)
Там же, на стр.315 отмечено, что : « … В отличие от НЖК , в смектических фазах помимо флексоэлектрического может наблюдаться и истинно пьезоэлектрический эффект, обусловленный изменениями межслойного расстояния под действием внешних сил…»
В монографии /4/ , например , на стр. 228 отмечено, что : «… если теперь к сегнетоэлектрическому ЖК приложить электрическое поле…,то на молекулы ЖК будет действовать вращательный момент сил …»
В сборнике /5/ на стр.31 и др. отмечено, что : « … если волновой вектор перпендикулярен вектору , то смещение оказывается поперечным и возникает дополнительная вращающая сила, поскольку поле директора остается перпендикулярным к слоям. В этом случае смещение слоев приводит к веерообразному искажению поля директора и упругой энергии…»
- 7 -
Все перечисленные и другие экспериментальные результаты косвенным образом подтверждают возможность перехода электроэнергии посредством деформаций слоев ЖКВ в упругую энергию, которая при определенных условиях может совершить работу /6/,/7/.
Так как принципиальная схема устройства электростического двигателя по патенту РФ N 1589987 /6/ по существу является реализацией на уровне технического решения схемы одновременного влияния на ЖКВ факторов ориентации директора с помощью подложки и электрического поля, вращающегося между электродами симметричной трехфазной системы по (7), то схема по рис.7 является принципиальной схемой электродвигателя по данному изобретению., в котором обеспечены и конструктивные признаки по осуществлению вращения электрического поля Е, увлекающего за собой слои ЖКВ с подложками ротора двигателя. Более того,
Рис. 9 обеспечивая электропитание Рис. 10
системы электродов такого двигателя в импульсном режиме, появляется возможность работы двигателя в шаговом режиме, когда после каждого импульса напряжение снимается с электродов, включаясь снова в соответствии с заданной частотой генератора импульсов.(см.рис.9 и рис.10).
Ясно при этом, что с учетом масштабов межмолекулярных расстояний в ЖКВ различных типов массово-габаритные показатели таких устройств по техническому осуществлению электро-механического эффекта в ЖКВ приводят нас к новым возможностям микроминиатюризации электропривода и электрокоммутационной аппаратуры, в которых обостренно нуждается современная информационная техника и др. Для иллюстрации подобных технических возможностей здесь можно привести пример изобретения по патенту РФ N 1490318 /7/ и других аналогичных применений электро –механического эффекта в ЖКВ /8/:
Рис.11 Рис.12
На рис.11 показан поперечный разрез микроминиатюрного перистальтического насоса по патенту РФ N 1490318 /7/ , а на рис.12
приведена принципиальная электросхема его жидкокристаллического ротора. Действительно, при включении электропитания от сети трехфазного напряжения на электроды 9, 10, 11 в результате бегущей круговой волны напряжения на электродах , которые являются
- 8 -
подложками, деформации ЖКВ между ними приводят к образованию и вращению по направлению порядка следования фаз напряжения эллиптически деформированного ротора 3, который пережимает эластичный шланг 2 в противоположных точках, перемещая вместе с вращением своей формы и рабочую среду по шлангу 2 от входа к выходу насоса.
Литература:
1.Глауберман А.Е. Теория систем с нецентральным законом взаимодействия частиц.// Известия АН СССР, серия физическая, 1958 г., т.22, N 3, стр.254.
2.Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов.М.,1983 г.,
стр.12, 34, 78 и др.
3.Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов.М.,»Наука», 1983 г.,
5,Литстер Дж. И Бирженс Р. Жидкие кристаллы.//Сб. »Физика за рубежом», М.,»Мир»,1983 г., стр.31 и др.
6,Вертинский П.А. Шаговый электростатический двигатель. Патент РФ
N 1589987, 1988 г.
7.Вертинский П.А. Перистальтический насос с электроприводом. Патент РФN 1490318, 1987 г.
8.Вертинский П.А. Электрогидравлика, г. Усолье-Сибирское,1996 г.,стр.!4 и др.
Библиографическая ссылка
Вертнский Павел Алексеевич-один автор РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЖКВ // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/5098 (дата обращения: 26.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
- 
, посредством которых можно выразить плотность свободной энергии, обусловленной произвольной деформацией /2/ :
(1), где а
- элементарная деформация в ЖКВ. 
(2)
(3а)
(3б)
(3в)
(4а)
(5) 
, (6)
(7)
и 
если ось ОZ направлена по полю Е , как это показано на рис. 6. 
2 (8)
, (9)
, (10)
(11) 
(12) .
, (13) 
, где пространственный заряд 
появляется вследствие флексэффекта…» : 
(14)
перпендикулярен вектору 
, то смещение оказывается поперечным и возникает дополнительная вращающая сила, поскольку поле директора 
Так как принципиальная схема устройства электростического двигателя по патенту РФ N 1589987 /6/ по существу является реализацией на уровне технического решения схемы одновременного влияния на ЖКВ факторов ориентации директора с помощью подложки и электрического поля, вращающегося между электродами симметричной трехфазной системы по (7), то схема по рис.7 является принципиальной схемой электродвигателя по данному изобретению., в котором обеспечены и конструктивные признаки по осуществлению вращения электрического поля Е, увлекающего за собой слои ЖКВ с подложками ротора двигателя. Более того,
сно при этом, что с учетом масштабов межмолекулярных расстояний в ЖКВ различных типов массово-габаритные показатели таких устройств по техническому осуществлению электро-механического эффекта в ЖКВ приводят нас к новым возможностям микроминиатюризации электропривода и электрокоммутационной аппаратуры, в которых обостренно нуждается современная информационная техника и др. Для иллюстрации подобных технических возможностей здесь можно привести пример изобретения по патенту РФ N 1490318 /7/ и других аналогичных применений электро –механического эффекта в ЖКВ /8/: 
