当组成物质的原子或者分子的空间尺寸远大于它们随时间变化的尺寸,同时其变化过程缓慢时,则可把组成物质的每一个原子、分子的微观状态看作连续体,用它描述宏观的物理特性,用基于这些观点的连续体理论来描述在弹性力学、流体力学或者电磁学方面各向异性流体的宏观物理性质。
液晶宏观物理问题同固体和流体中的问题相似,液晶分子的尺寸远小于它们随时间变化的空间尺寸,其变化过程相对缓慢,有关液晶的许多重要物理现象都可以在忽略了单个组成分子的行为情况下,把液晶当作连续介质来处理。
液晶是液态的物质,不可能产生像固体那样的形变。但是,描述液晶分子排列取向的指向矢,在外场作用下,可以改变方向,去除外场后,由于液晶分子间的相互作用和表面锚定作用,有恢复到原有取向的趋势,这种指向矢取向的变化和固体的弹性形变相类似。因而借用固体弹性理论的名字,同样称之为弹性形变,并且引用相应的弹性常数。
20世纪20年代后期,由C.W.欧欣(C.W.Oseen)和H,祖歇(H.Zocher)提出了连续体模型,他们的静态理论获得了相当成功。到了50年代后期,经F.C.夫兰克(F.C.Frank)重新研究和完善,提出了曲率弹性体理论,这个理论基本上仍然是一个静态的理论。由于该理论在一定程度上与固体理论相似,因此人们称之为液晶的连续体形变理论,或称之为欧欣—夫兰克连续体理论,这一理论是唯象的研究液晶在外场作用下发生形变的经典理论,是研究液晶显示行为的理论基础。
对于宏观体积的液晶,可以用一个指向矢来表示分子的优先取向方向。一般液晶中各处的指向矢
并不相同,即使是在平衡状态下
也可以有变化。特别是在外场作用下或者是由于边界条件的存在,
可以随着在液晶中的位置而发生改变。对于大的样品,可以用磁场或电场使液晶中的指向矢取一定的取向。这种场致排列取向的效应在液晶中是一种强的效应,不像在普通液体中只不过是一种弱的效应。在液晶连续体理论中,假设除去在液晶中的一些奇异点和奇异线,指向矢
是位置
的连续函数。当液晶中的各处的指向矢偏离了它们在平衡状态时所指的方向时,称液晶发生了形变。发生形变的液晶的内部将产生反抗形变的回复力,或者更确切一些说是回复转矩,就像弹性固体那样。在小的形变条件下,可以借助一般的固体弹性理论而得出液晶的连续体形变理论。
一般情况下,液晶发生三种形变(见液晶形变)在整个液晶系统中要受到弹性力矩、介电力矩、表面锚泊力矩等力矩的共同作用。如果忽略表面弹性能项,向列相液晶的夫兰克弹性自由能密度的表达式为:
上式中的三项分别描述展曲、扭曲和弯曲形变自由能密度,、
和
分别表示展曲、扭曲和弯曲弹性常数。在外加电压的作用下,介电自由能密度可以表示为:
其中为电场矢量,
为电位移矢量,
为垂直于液晶分子长轴方向的介电常数,
,
为平行于液晶分子长轴方向的介电常数,
为真空中介电常数。基板表面对液晶分子的锚定能通常采用R-P公式:
其中为锚定强度系数,
为指向矢在基板表面的易取向方向。
对于强锚定情况,在外加电压作用下,只有当介电力矩大于弹性力矩时液晶的形变才会发生转变,这种转变称为弗雷德里克兹转变,与之相对应的电压为阈值电压。纯展曲、扭曲和弯曲形变对应的转变分别为第一、第二和第三弗雷德里克兹转变,阈值电压为,
。对于弱锚定情况,由于基板表面的影响弗雷德里克兹转变电压随锚定能减小逐渐减小。降低液晶器件的阈值电压能够减小其驱动电压,降低功耗。