stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
הפרעה אלקטרומגנטית

הפרעה שנגרמת על ידי שידור Wi-Fi בתדר 5 ג'יגה הרץ נראית על מסך מכ"ם מזג אוויר שמשתמש באותה התדירות
הפרעה אלקטרומגנטית (באנגלית: Electromagnetic Interference, או EMI) היא הפרעה שנוצרת על ידי מקור חיצוני ומשפיעה על מעגל חשמלי, על ידי השראה אלקטרומגנטית, צימוד אלקטרוסטטי או הולכה פשוטה. ההפרעה עלולה לפגוע בביצועי המעגל או אפילו לעצור אותו מלפעול.
במקרה של העברת נתונים בעזרת חשמל, ההשלכות של הפרעות אלה יכולות לנוע בין עלייה בשיעור השגיאה לבין אובדן מוחלט של הנתונים.
גם מקורות מעשה ידי אדם וגם מקורות טבעיים יוצרים שינויים בזרמים ובמתחים חשמליים שיכולים לגרום להפרעה אלקטרומגנטית: מערכות הצתה, רשתות סלולריות של טלפונים ניידים, ברקים, התפרצויות שמש, ואף תופעות זוהר צפוני.
הפרעות אלקטרומגנטיות משפיעות לעיתים קרובות על שידורי AM בשל האופי האנלוגי שלהם, אך יכולות להשפיע גם על טלפונים ניידים, רדיו FM, וטלוויזיות, כמו גם על תצפיות אסטרונומיות המבוססות על רדיו ועל תצפיות של מדעי האטמוספירה.
ניתן להשתמש בהפרעות אלקטרומגנטיות גם בכוונה לשיבוש רדיו, כמו שנעשה בלוחמה אלקטרונית.
היסטוריה

מאז הימים הראשונים של תקשורת הרדיו, הורגשו ההשפעות השליליות של הפרעות משידורים מכוונים ושידורים לא מכוונים וגבר הצורך לנהל את ספקטרום תדרי הרדיו.
בשנת 1933, פגישה של הנציבות הבין-לאומית לאלקטרוטכניקה (IEC) בפריז המליצה על הקמת הוועדה המיוחדת הבינלאומית להפרעות רדיו (CISPR) כדי לטפל בבעיה המתהווה של הפרעות אלו. לאחר מכן הוציאה CISPR פרסומים טכניים המכסים טכניקות מדידה ובדיקה של ההפרעות, בנוסף למגבלות שידור מומלצות. אלה התפתחו במשך עשרות שנים ומהווים את הבסיס לחלק גדול מתקנות ה-EMC (בראשי תיבות: Electormagnetic Compability) בעולם כיום.
בשנת 1979, הוטלו מגבלות חוקיות על פליטות אלקטרומגנטיות מכל הציוד הדיגיטלי על ידי ה-FCC בארצות הברית בתגובה למספר הגדל של מערכות דיגיטליות שהפריעו לתקשורת קווית ורדיו. שיטות ומגבלות בדיקה התבססו על פרסומי ה-CISPR, אם כי מגבלות דומות כבר נאכפו בחלקים מאירופה.
באמצע שנות ה-80, המדינות החברות באיחוד האירופי אימצו מספר הנחיות מתוך כוונה לנסח דרישות טכניות למוצרים כך שלא יהפכו לחסם לסחר בתוך הנציבות האירופית. אחת מהן הייתה הוראת הקהילה הכלכלית האירופית (89/336/EC) משנת 1989, שחלה על כל הציוד שהוצא לשוק או הוכנס לשימוש. היקפו מכסה את כל המכשירים "העלולים לגרום להפרעה אלקטרומגנטית או שביצועיהם עלולים להיות מושפעים מהפרעה כזו".
זו הייתה הפעם הראשונה שבה הוצבה דרישה חוקית לחסינות אלקטרומגנטית, כמו גם לפליטות אלקטרומגנטיות, על מכשירים המיועדים לכלל האוכלוסייה. אף על פי שעשויות להיות עלויות נוספות הקשורות למוצרים מסוימים כדי להעניק להם רמת חסינות כלשהי, החוק הגדיל את האיכות הנתפסת של מוצרים מכיוון שהם היו מסוגלים לפעול בקרבה למכשירים חשמליים אחרים של העת המודרנית ועם פחות בעיות.
למדינות רבות יש כיום דרישות דומות למוצרים כך שיעמדו ברמה מסוימת של תאימות אלקטרומגנטית (EMC).
סוגים

ניתן לסווג הפרעות אלקטרומגנטיות כדלקמן:
הפרעות "פס צר", שבדרך כלל נובעות משידורים מכוונים כגון תחנות רדיו וטלוויזיה או טלפונים ניידים.
הפרעות "פס רחב", שנובעות משידורים לא מכוונים ממקורות כגון קווי הולכה חשמליים.
הפרעות אלקטרומגנטיות מוליכות נגרמות ממגע פיזי של המוליכים, בניגוד להפרעות אלקטרומגנטיות מוקרנות, הנגרמות על ידי השראה אלקטרומגנטית (ללא מגע פיזי של המוליכים). בהפרעות מושרות אלו, ההפרעות בשדה האלקטרומגנטי של המוליך לא מוגבלות עוד לפני השטח שלו ויוקרנו גם הרחק ממנו. השראות הדדית בין שני שדות אלקטרומגנטיים מוקרנים תגרום גם להפרעה אלקטרומגנטית.
הגדרת איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי

הפרעה במשמעות של "הפרעה אלקטרומגנטית", או במשמעות של "הפרעה בתדר רדיו" ("EMI" או "RFI") היא – על פי "סעיף 1.166" של תקנות הרדיו (RR - Radio Regulations) של איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי (ITU) – "השפעה של אנרגיה לא רצויה, עקב שילוב של פליטות, קרינות או השראות, על קליטה במערכת תקשורת רדיו, המתבטאת בפגיעה בביצועים, פרשנות שגויה או אובדן מידע שניתן לחלץ בהיעדר אנרגיה לא רצויה זו".
זוהי גם הגדרה המשמשת מינהלי תדרים לשם הקצאות תדרים והקצאת ערוצי תדר לתחנות רדיו או למערכות, וכן לניתוח תאימות אלקטרומגנטית בין שירותי רדיו שונים.
בהתאם לסעיף 1 של תקנות הרדיו, וריאציות של הפרעות מסווגות כדלקמן:
הפרעה מותרת
הפרעה מקובלת
הפרעה מזיקה
הפרעות בין מוליכים

הפרעה אלקטרומגנטית מוליכה נגרמת ממגע פיזי של המוליכים, בניגוד להפרעה אלקטרומגנטית מוקרנת שנגרם על ידי השראה (ללא מגע פיזי של המוליכים).
עבור תדרים נמוכים יותר, הפרעות אלקטרומגנטיות נגרמות בדרך כלל על ידי הולכה, ובתדרים גבוהים יותר, על ידי קרינה.
הפרעה אלקטרומגנטית דרך כבל הארקה נפוצה מאוד גם באתרים חשמליים.
רגישויות של טכנולוגיות רדיו שונות

הפרעות נוטות להיות מטרידות יותר בטכנולוגיות רדיו ישנות יותר, כגון אפנון משרעת (AM) אנלוגי, משום שאין להן דרך להבחין בין אותות לא רצויים לבין האות המיועד (באותה רצועת שידור), ובשל האנטנות הרב-כיווניות המשמשות מערכות שידור אלה.
מערכות רדיו חדשות יותר משלבות מספר שיפורים המשפרים את הסלקטיביות. במערכות רדיו דיגיטליות, כגון Wi-Fi, ניתן להשתמש בטכניקות לתיקון שגיאות. ניתן להשתמש גם בטכניקות של ספקטרום פזור (spread spectrum) וקפיצת תדר (frequency hopping) - FHSS, בשילוב עם איתות אנלוגי ודיגיטלי כאחד כדי לשפר את ההתנגדות להפרעות. נוסף לכך, מקלט בעל כיווניות גבוהה, כגון אנטנה פרבולית, יכול לשמש לבחירת אות אחד בחלל, ללא כל אותות אחרים.
הדוגמה הקיצונית ביותר לשידור דיגיטלי בספקטרום רחב (spread spectrum) עד כה היא טכנולוגיית UWB, המציעה שימוש בחלקים גדולים של ספקטרום הרדיו באמפליטודות נמוכות להעברת נתונים דיגיטליים ברוחב פס גבוה. UWB, אם נעשה בו שימוש בלעדי, יאפשר שימוש יעיל מאוד בספקטרום, אך מכשירים שמשתמשים בטכנולוגיה שאינה UWB עדיין לא מוכנים לחלוק את הספקטרום עם המערכת החדשה בגלל ההפרעות שהיא תגרום למקלטים שלהם.
הפרעות למכשירי צריכה

מקורות פוטנציאליים של הפרעות אלקטרומגנטיות והפרעות רדיו כוללים, בין השאר: סוגים שונים של משדרים, שנאים בפעמון, מצנמים, שמיכות חשמליות, מכשירי הדברה קוליים, קוטלי חרקים חשמליים, וכריות חימום. נוסף לאלה, צגי מחשב מיושנים מסוג CRT (שפופרת קרן קתודית), או טלוויזיות מסוג זה היושבות קרוב מדי אחת לשנייה עלולות לפעמים לגרום לאפקט "שלג", בשל האופי האלקטרומגנטי של טכנולוגיית CRT.
הפרעה אלקטרומגנטית בתדר 2.4 גיגה-הרץ עלולה להיגרם ממכשירים אלחוטיים הפועלים בתקן ה-Wi-Fi מתתי-הסוגים 802.11b ו-802.11g, מהתקני Bluetooth, מצגי תינוקות (baby monitors), מטלפונים אלחוטיים ביתיים (cordless), וממכשירי מיקרוגל.
מכשירים כגון מנועים חשמליים, שנאים, תנורי חימום, מנורות, ספקי כוח וכו', כולם גורמים להפרעות אלקטרומגנטיות במיוחד בזרמים מעל 2 אמפר. השיטה הרגילה המשמשת לדיכוי הפרעה היא על ידי חיבור נגד ולאחר מכן קבל (snubber netowork), על גבי זוג מגעים. אף על פי שזה עשוי להציע הפחתה צנועה בזרמים נמוכים מאוד, שיטה זו אינה פועלת בזרמים מעל 2 אמפר עם מגעים אלקטרומכניים.
ספקי כוח ממותגים יכולים להיות מקור להפרעות אלקטרומגנטיות, אך הפכו פחות לבעיה מכיוון שטכניקות התכנון השתפרו, כגון שילוב של תיקון מקדם הספק.
לרוב המדינות יש דרישות חוקיות המחייבות תאימות אלקטרומגנטית (EMC, או Electromagnetic compatibility): חומרה אלקטרונית וחשמלית עדיין חייבת לפעול כהלכה כשהיא נתונה לכמויות מסוימות של הפרעות אלקטרומגנטיות, ואסור לפלוט קרינה, שעלולה להפריע לציוד אחר (כגון מכשירי רדיו).
איכות אותות רדיו ירדה לאורך המאה ה-21 בערך בדציבל אחד בשנה, ככל שהספקטרום הופך צפוף יותר ויותר. תופעה זו גורמת למירוץ בתעשיית הטלפונים הניידים, שכן חברות נאלצו להקים יותר מגדלים סלולריים (בתדרים חדשים) שגורמים לאחר מכן להפרעות יותר ובכך דורשות יותר השקעה מצד הספקים ושדרוגים תכופים של טלפונים ניידים כדי להתאים להפרעות.
הפרעות אלקטרומגנטיות במעגלים משולבים

מעגלים משולבים הם לעיתים קרובות מקור להפרעות אלקטרומגנטיות, אך הם חייבים בדרך כלל להעביר (couple) את האנרגיה שלהם לאובייקטים גדולים יותר כגון צלעות קירור, לוחות מעגלים חשמליים וכבלים כדי להקרין באופן משמעותי.
במעגלים משולבים, אמצעים חשובים להפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות הם: שימוש בקבלים "עוקפים" או "מנתקים" (decoupling capacitors) בכל מכשיר פעיל (מחוברים לאורך ספק הכוח, קרוב ככל האפשר למכשיר), בקרה של זמן העלייה של אותות במהירות גבוהה באמצעות נגדים סדרתיים, וסינון הפינים של ספק הכוח. מיגון (shielding) הוא בדרך כלל מוצא אחרון לאחר כישלון של טכניקות אחרות, בגלל העלות הנוספת של רכיבי מיגון כגון אטמים מוליכים.
היעילות של הקרנה זו תלויה בגובה מעל האדמה (או בגובה מעל המעגל המודפס) ובאורך המוליך ביחס לאורך הגל של האות. בתדרים נמוכים יותר, כמו 133 MHz, הקרינה היא כמעט אך ורק באמצעות כבלי I/O.
הפרעות אלקטרומגנטיות במעגלים משולבים > חסינות להפרעות ובדיקות

כל מוליך למחצה לא מוגן (למשל מעגל משולב) נוטה לפעול כגלאי עבור אותות רדיו הנמצאים בדרך כלל בסביבה הביתית (למשל טלפונים ניידים). גלאי כזה יכול לפרק את האפנון (demodulate) של תדר גל נושא של טלפון נייד בתדר גבוה (למשל, רצועות GSM850 ו-GSM1900, GSM900 ו-GSM1800) ולהפיק אות בתדר נמוך (למשל, 217 הרץ) לאחר הפירוק. פירוק זה מתבטא בזמזום לא רצוי שנשמע במכשירי שמע כגון מיקרופון, רמקול, רדיו לרכב, טלפונים וכו'. הוספת מסנני הפרעות מובנים או שימוש בטכניקות פריסה מיוחדות יכולה לעזור בעקיפת ההפרעות או בשיפור חסינות RF. חלק מהמעגלים המשולבים (למשל, LMV831-LMV834, MAX9724), מתוכננים לכלול מסנני RF משולבים או משתמשים בעיצוב מיוחד שעוזר להפחית כל פירוק (demodulation) של גלים בתדר גבוה.
הפרעות אלקטרומגנטיות ברדיו-אסטרונומיה

הפרעה אלקטרומגנטית ברדיו-אסטרונומיה, שבה היא מכונה בדרך כלל הפרעת תדר רדיו (Radio Frequency Interference, RFI), היא כל מקור שידור שנמצא בטווח התדרים הנצפה, מלבד המקורות השמימיים עצמם. מכיוון שמשדרים על כדור הארץ ובסביבתו יכולים להיות חזקים פי כמה מהאות האסטרונומי המעניין, הפרעה זו היא דאגה גדולה לביצועי רדיו-אסטרונומיה. מקורות טבעיים של הפרעות, כגון ברק והשמש, מכונים לעיתים קרובות גם כן RFI.
חלק מרצועות התדר החשובים מאוד לרדיו-אסטרונומיה, כמו קו המימן ב-1420 MHz, מוגנים על ידי רגולציה (כלומר השידור בהן אסור). עם זאת, למצפי כוכבים רדיו-אסטרונומיים מודרניים כמו המערך הגדול מאוד (VLA) יש רוחב פס גדול מאוד עליו הם צופים. בגלל המרחב הספקטרלי המוגבל בתדרי הרדיו, לא ניתן להקצות לחלוטין את פסי התדרים הללו לרדיו-אסטרונומיה. לכן, מצפי כוכבים צריכים להתמודד עם הפרעות אלו בתצפיות שלהם.
הטכניקות להתמודדות עם הפרעות רדיו נעות מסינון (פילטרים) בחומרה ועד אלגוריתמים מתקדמים בתוכנה. אחת הדרכים להתמודד עם משדרים חזקים היא לסנן לחלוטין את תדר המקור. זה למשל המקרה של מצפה הכוכבים LOFAR, המסנן את תחנות הרדיו FM בין 90 ל-110 MHz. חשוב להסיר מקורות הפרעות חזקים כאלה בהקדם האפשרי, מכיוון שהם עלולים "להרוות" את המקלטים הרגישים ביותר (מגברים וממירים אנלוגיים-לדיגיטליים), כלומר לגרום לתופעה שבה האות המתקבל חזק יותר ממה שהמקלט יכול להתמודד עמו. עם זאת, סינון רצועת תדרים מרמז שלעולם לא ניתן יהיה לצפות בתדרים אלו עם המכשיר.
טכניקה נפוצה להתמודדות עם הפרעות רדיו באותו רוחב פס של התדר הנצפה, היא שימוש בזיהוי הפרעות בתוכנה. תוכנה כזו יכולה למצוא דגימות בזמן, בתדירות, או במרחב הזמן-תדר שהן מזוהמות על ידי מקור מפריע. לאחר מכן מתעלמים מדגימות אלו בניתוח נוסף של הנתונים שנצפו. תהליך זה מכונה לעיתים קרובות סימון נתונים (data flagging). מכיוון שרוב המשדרים משדרים אותות ברוחב פס קטן ואינם נוכחים באופן רציף בספקטרום כמו ברק, רוב הנתונים נשארים זמינים לניתוח האסטרונומי. עם זאת, סימון נתונים כזה אינו יכול לפתור בעיות עם משדרי פס רחב רציפים, כגון טחנות רוח, משדרי וידאו דיגיטליים (DVB) או משדרי אודיו דיגיטליים.
דרך נוספת להתמודד עם הפרעות רדיו היא להחליט על הקמה של אזור "שקט" אלקטרומגנטית (Radio Quiet Zone, RQZ). אזור כזה הוא אזור מוגדר היטב המקיף מקלטים, שיש לו תקנות מיוחדות להפחתת רעש רדיו לטובת תצפיות רדיו אסטרונומיה בתוך האזור. התקנות עשויות לכלול ניהול מיוחד של הספקטרום או מגבלות צפיפות בשטף ההספק. ההגבלות בתוך האזור עשויים לכסות גם אלמנטים שאינם משדרי רדיו או התקני רדיו. אלה כוללים בקרות מטוסים ושליטה במכשירים המשדרים באופן לא מכוון, כגון מכשירים תעשייתיים, מדעיים ורפואיים, כלי רכב וקווי חשמל. ה-RQZ הראשון לרדיו-אסטרונומיה הוא אזור הרדיו השקט הלאומי של ארצות הברית (NRQZ), שהוקם בשנת 1958.
הפרעות אלקטרומגנטיות במערכות מכ"ם

לפני פיתוח ה-Wi-Fi, אחד מהיישומים הגדולים ביותר של רצועת ה-5 ג'יגה-הרץ הייתה מכ"ם מזג האוויר Terminal Doppler.
ההחלטה להשתמש בספקטרום ה-5 ג'יגה-הרץ עבור Wi-Fi הושלמה בוועידת הרדיו העולמית בשנת 2003; עם זאת, הקהילה המטאורולוגית לא הייתה מעורבת בתהליך. המימוש הרופף שלאחר מכן והתצורה השגויה של מנגנון בחירת התדירות הדינאמית של המכ"ם (DFS) גרמו לשיבוש משמעותי בפעולות מכ"ם מזג האוויר במספר מדינות ברחבי העולם. בהונגריה, מערכת מכ"ם מזג האוויר הוכרזה כבלתי פעילה במשך יותר מחודש. בשל חומרת ההפרעות, שירותי מזג האוויר בדרום אפריקה נטשו בסופו של דבר את רצועת C (הרצועה המכסה את התדרים 4 עד 8 ג'יגה-הרץ), והעבירו את רשת המכ"ם שלהם לרצועת S.
ראו גם

קרינה אלקטרומגנטית
כלוב פאראדיי
מקלט רדיו
רעש (פיזיקה)
זוג שזור
גביש נוזלי

הדגמה של גביש נוזלי בפאזה נמטית
גביש נוזלי הוא מצב צבירה שבו לחומר יש תכונות שנעות בין נוזל למוצק גבישי. לדוגמה, האטומים שבו יכולים להיות מסודרים כמו בגביש מוצק ולזרום כמו בנוזל. בדומה לגביש מוצק, גם גביש נוזלי יהיה בדרך-כלל רב-גביש, כלומר מורכב מהרבה גבישונים המסודרים בכיוונים שונים במרחב.
גבישים נוזליים מצויים בטבע ובגוף האדם, בממברנות ביולוגיות ובקרום התא. גבישים נוזליים גם נמצאים בשימוש בטכנולוגיה, למשל במסך LCD (תצוגת גביש נוזלי).
היסטוריה

ב-1888 באוניברסיטת פראג הכימאי האוסטרי פרידריך רָייניצר עבד עם חומרים מבוססי כולסטרול וגילה שבניגוד לרוב החומרים, יש להם שתי טמפרטורות התכה. הראשונה ב-145°C, בה הגביש המוצק נמס לנוזל מעורפל, והשנייה ב-178.5°C, בה הנוזל נהפך לשקוף.
בניסיון להסביר את התופעה פנה רָייניצר לפיזיקאי הגרמני אוֹטוֹ לֶמָן. לֶמָן האמין שבנוזל המעורפל ישנו סדר ארוך טווח כלשהו, בעוד שבנוזל השקוף לא קיים סדר שכזה. לֶמָן זיהה שהנוזל המעורפל הוא למעשה מצב צבירה חדש וכינה אותו "גביש נוזלי", כדי להדגיש את היותו מצב ביניים בין נוזל למוצק.
מתחילת המאה העשרים ועד פרישתו ב-1935, פיתח הכימאי הגרמני דניאל פוֹרלֶנדר מספר רב של גבישים נוזליים. למרות זאת, באותה העת הגביש הנוזלי נחשב תופעה איזוטרית בלבד בעיני הקהילה המדעית.
בשנות הארבעים החלו מדענים נוספים לחקור את הגביש הנוזלי, ביניהם ג'ורג' וויליאים גריי, שפיתח את הכלים הרעיוניים הדרושים ליצירת חומרים חדשים בעלי פאזת גביש נוזלי. ב-1965 ארגן גלן בראון את הוועידה הבינלאומית הראשונה לגבישים נוזליים בקנט, אוהיו. בוועידה נכחו חוקרי הגבישים הנוזליים הבכירים בעולם, והיא סימנה את עלייתו של הנושא כתחום מחקר מוביל.
ב-1991 זכה פייר ז'יל דה-זֶ'ן בפרס נובל בפיזיקה על עבודתו התאורטית הענפה בנושא.
אבני היסוד של הגביש הנוזלי

חומרים בהם קיימת פאזת גביש נוזלי הם חומרים המורכבים מממס אשר מושרות בו מולקולות. המולקולות חייבות להיות אן-איזוטרופיות, כלומר, עליהן להיות בעלות צורה מוארכת או פחוסה. ישנם חומרים רבים המתאימים ליצירת גביש נוזלי, ביניהם מולקולות קטנות מוארכות או פחוסות, מוטות סליליים, פולימרים מורכבים ועוד.
אבני היסוד של הגביש הנוזלי > מולקולות אורגניות

מולקולות קצרות מוארכות וקשיחות הן מרכיב נפוץ בגבישים נוזליים רבים. ה"מתכון" הסטנדרטי למולקולות אלה הוא שני מבנים טבעתיים מחוברים יחד עם פחמימנים בשני הקצוות. ישנן וריאציות רבות על "מתכון" זה, ולכן קיים תחום רחב של גבישים נוזליים המבוססים על מולקולות אלו.
מולקולות דמויות דיסק בעלות צורה פחוסה, כלומר, מולקולות בהן בכיוון אחד המולקולה קצרה מאוד, גם כן יכולות לשמש ליצירת גבישים נוזליים.
בגבישים נוזליים המבוססים על מולקולות אלו מעבר הפאזה מנוזל לנוזל גבישי ומנוזל גבישי למוצק מופיע בעת שינוי טמפרטורה, ולכן הם מכונים גבישים נוזליים תרמוטרופיים.
אבני היסוד של הגביש הנוזלי > מוטות סליליים

פולימרים קשיחים, כגון פוליפפטידים סינתטיים מסוימים ווירוסים, כגון מוזאיקת הטבק גם הם עשויים לשמש ליצירת גבישים נוזליים.
בגבישים נוזליים אלו, מעבר הפאזה בין נוזל לגביש נוזלי אינו נובע משינוי בטמפרטורה אלא משינוי בריכוז המולקולות בחומר, לכן הם מכונים גבישים נוזליים ליותרופיים.
אבני היסוד של הגביש הנוזלי > פולימרים מורכבים

פולימרים שאינם מוטות קשיחים, כלומר, פולימרים המורכבים מחלקים קשיחים המחוברים באמצעות חוליות גמישות יכולים גם הם להוביל ליצירה של גבישים נוזליים. גבישים נוזליים המבוססים על פולימרים אלו בדרך כלל יציבים מאוד ובעלי טווחי טמפרטורות עבודה רחבים מאוד (לעיתים אף מאות מעלות).
מצבי הצבירה של הגביש הנוזלי > גבישים נוזליים תרמוטרופיים

עבור חומרים מסוג זה, פאזת הגביש הנוזלי קיימת רק בתחום טמפרטורות מסוים. בטמפרטורות גבוהות האנרגיה התרמית הורסת את הסדר ארוך הטווח, והחומר מתנהג כמו נוזל רגיל. בטמפרטורות נמוכות החומר הופך לגביש או למוצק אמורפי. לחומר עשויות להיות מספר פאזות שונות בטווח הטמפרטורות בו הוא מתנהג כגביש נוזלי.
הנפוצות מבין פאזות אלה הן הפאזה הנמטית, הכולסטרית והסמקטית.
מצבי הצבירה של הגביש הנוזלי > הפאזה הנמטית

מקור השם של הפאזה הנמטית הוא במילה היוונית העתיקה νῆμα (נמה) שמשמעה חוט, בעקבות פגמים מבניים דמויי חוטים שנצפו בחומרים מסוג זה.
הפאזה הנמטית קיימת רק בחומרים בהן המולקולות סימטריות לשיקוף (כלומר, זהות לתמונת המראה של עצמן) או בחומרים בהם ישנם שני סוגי מולקולות שהם שיקוף זה של זה, בריכוזים זהים.
פאזה זו מאופיינת בכך שבעוד שאין סדר ארוך טווח במיקום המולקולות, יש קורלציה בכיוונים אליהן מצביעות המולקולות השונות, כלומר המולקולות נוטות להצביע לכיוון אחד משותף.
משום שאין סדר מרחבי, הגביש מתנהג כמו נוזל רגיל במובנים רבים, למשל באופן הזרימה שלו. עם זאת, הקורלציה בכיווני המולקולות מובילה לתכונות אנ-איזוטרופיות ייחודיות.
הכיוון אליו מצביעות המולקולות נקבע בדרך כלל על ידי גורמים חיצוניים כגון דפנות כלי הקיבול בו הוא נמצא, אך ניתן גם לשלוט על הכיוון באמצעות הפעלת שדה חשמלי או מגנטי.
מצבי הצבירה של הגביש הנוזלי > הפאזה הכולסטרית

הפאזה הכולסטרית קרויה על שם הכולסטרול, משום שחומרים מבוססי כולסטרול רבים הם גבישים נוזליים מסוג זה.
פאזה זו מופיעה כאשר המולקולות בחומר הן כיראליות (כלומר, שונות מתמונת המראה של עצמן).
כמו בפאזה הנמטית, גם בפאזה הכולסטרית אין סדר ארוך טווח במיקומי המולקולות, וקיים כיוון משותף אליו הן מצביעות. עם זאת, בפאזה הכולסטרית הכיוון המשותף אינו קבוע, אלא משתנה במרחב בכיוון מאונך למישור בו הוא נמצא. השינוי בכיוון הוא מחזורי ובעל אורך מחזור אופייני של כ-3000 אנגסטרום. המבנה המחזורי מוביל לפיזור בראג בעת פיזור אור מהגביש הנוזלי.
מצבי הצבירה של הגביש הנוזלי > הפאזה הסמקטית

מקור השם של הפאזה הסמקטית הוא במילה הלטינית smecticus שמשמעה ניקוי, זאת בשל התכונות דמויות הסבון של חומרים סמקטיים רבים.
בפאזות הסמקטיות מסתדרות המולקולות בשכבות ברורות עם מרווח קבוע. כל שכבה בפני עצמה מתנהגת כמו גביש נוזלי נמטי, ובכל השכבות מצביעות המולקולות לאותו כיוון.
ישנם סוגים רבים של פאזות סמקטיות, ביניהם סמקטית A, בה מצביעות כל המולקולות לכיוון המאונך לשכבות, וסמקטית C, בה מצביעות המולקולות לכיוון מוטה מהכיוון
המאונך לשכבות.
מצבי הצבירה של הגביש הנוזלי > גבישים נוזליים ליוטרופיים

עבור חומרים מסוג זה, פאזת החומר תלויה בריכוז המולקולות בממס ולא בטמפרטורת החומר. המולקולות בגבישים ליוטרופיים הן אמפיפיליות, כלומר, בעלות צד אחד הנמשך לנוזל וצד אחד הנדחה מהנוזל.
לגבישים נוזליים מסוג זה פאזות רבות, בינייהן הפאזה הלמינרית, בה מסתדרות המולקולות בשכבות אשר ביניהן נמצא הנוזל, הפאזה הקובית, בה מתקבצות המולקולות לכדי כדורים המסתדרים בחומר כגביש קובי ממרוכז גוף (BCC) והפאזה ההקסגונלית, בה מתקבצות המולקולות לכדי גלילים המסתדרים בגביש משושה.
פיתוחים פורמליים > פרמטר סדר מיקרוסקופי

בבסיס התיאור המיקרוסקופי של הגביש הנוזלי עומד הווקטור המכוון  {\hat {n}}, אשר מוגדר כווקטור יחידה בכיוון אליו נוטות המולקולות בגביש להסתדר.
בגביש נמטי פשוט הווקטור המכוון הוא קבוע ונקבע על ידי גורמים חיצוניים.
בגביש כולסטרי בו השכבות הן במישור האופקי, הווקטור המכוון משתנה במרחב על פי:
n_{x}=\cos(q_{0}z+\phi )
n_{y}=\sin(q_{0}z+\phi )
n_{z}=0
כאשר  q_{0} היא התדירות המרחבית של סיבוב הווקטור המכוון.
המודל הפשוט ביותר לתיאור גביש נוזלי נמטי הוא של מוטות קשיחים. במסגרת מודל זה, עבור מוט יחיד, מוגדר הווקטור  {\vec {a}} המצביע לכיוון אליו פונה המוט. ההסתברות למצוא את המוט מצביע לכיוון מסוים מתוארת על ידי פונקציית הסתברות  f(\theta ,\phi ) כאשר  \theta  היא הזווית בין הווקטור  {\vec {a}} לווקטור המכוון  {\hat {n}} ו \phi  היא הזווית האזימוטלית.
בגבישים נמטים פשוטים ניתן לראות שפונקציית ההסתברות אינה תלויה ב \phi , משום שלגביש הנוזלי סימטריה לסיבוב סביב הווקטור המכוון. בנוסף, פונקציית ההסתברות סימטרית לשיקוף, כלומר, f(\theta )=f(\pi -\theta ), זאת משום שאין הבדל בהתנהגות החומר בעל ווקטור מכוון כלשהו לווקטור המכוון ההפוך לו.
על מנת לתאר את מידת האחידות בכיווני המולקולות, מוגדר פרמטר הסדר של הפאזה הנמטית. האופצייה הפשוטה ביותר להגדרת פרמטר הסדר היא:
\langle \cos \theta \rangle =\int f(\theta )\cos \theta d\Omega
אך משום שפונקציית ההתפלגות סימטרית לשיקוף, גודל זה מתאפס תמיד. על כן, נבחר המומנט השני כפרמטר הסדר:
S={\frac {1}{2}}\langle 3\cos ^{2}\theta -1\rangle ={\frac {1}{2}}\int f(\theta )(3\cos ^{2}\theta -1)d\Omega
עבור חומר בו כל המוטות מצביעים לאותו כיוון בדיוק,1 S=, ועבור חומר בו כיוונו המוטות מפולגים באופן אקראי, S=0. על כן, גודל זה מהווה מדד טוב למידת הכיווניות של המולקולות בחומר ובעת מעבר פאזה ימדד שינוי בערכו. את פרמטר הסדר ניתן להסיק ממדידות של תכונות אופטיות כגון שבירה כפולה בחומר או בליעה של אור המקוטב בכיוונים שונים או באמצעים אחרים, כמו מדידות תהודה מגנטית גרעינית.
פיתוחים פורמליים > פרמטר סדר מקרוסקופי

את ההבדל בין גבישים נוזליים לנוזלים איזוטרופיים ניתן לראות בבירור בתכונות הטנזוריות המקרוסקופיות שלהם.
לדוגמה, עבור גביש נוזלי בפאזה הנמטית הפשוטה (כאשר הווקטור המכוון הוא בכיוון  {\hat {z}}), טנזור הפרמאביליות המגנטית הוא:  {\hat {\chi }}={\begin{bmatrix}\chi _{\perp }&0&0\\0&\chi _{\perp }&0\\0&0&\chi _{\parallel }\\\end{bmatrix}}.
זאת בעוד שעבור נוזל איזוטרופי טנזור הפרמאביליות המגנטית הוא:  {\hat {\chi }}={\begin{bmatrix}\chi &0&0\\0&\chi &0\\0&0&\chi \\\end{bmatrix}}.
מטנזורים כגון זה ניתן להגדיר פרמטר סדר טנזורי מקרוסקופי  Q_{\alpha \beta }=G(\chi _{\alpha \beta }-{\frac {1}{3}}\delta _{\alpha \beta }\sum _{\gamma }\chi _{\gamma \gamma }) (באותו אופן ניתן להגדיר את פרמטר הסדר מטנזור הפרמטיביות החשמלית).
כמו פרמטר הסדר המיקרוסקופי, גם פרמטר סדר זה מתאפס בפאזת הנוזל האיזוטרופי. ניתן לקשר בין פרמטר הסדר המקרוסקופי לפרמטר הסדר המיקרוסקופי באמצעות ניתוח של הפרמאביליות המגנטית של המולקולות הבודדות בחומר.
פיתוחים פורמליים > מעבר פאזה נמטי-איזוטרופי

באמצעות תורת לנדאו למעברי פאזה ניתן להראות שהמעבר בין הפאזה הנמטית לפאזה האיזוטרופית הוא מסדר ראשון.
קיימים מספר מודלים שונים המתארים את מעבר פאזה זה:
פיתוחים פורמליים > מעבר פאזה נמטי-איזוטרופי > מודל אונסאגר

ב-1949 הציע לארס אונסאגר מודל המתאר את מעבר הפאזה בין גביש נוזלי נמטי לנוזל איזוטרופי. במודל זה המולקולות מתוארות כגלילים קשיחים ארוכים מאוד בעלי אורך  L וקוטר  d בצפיפות  c אשר אין ביניהם אינטראקציה מלבד אפקטים סטריים. הנחה נוספת של המודל היא שהצפיפות הנפחית, המוגדרת כ  \phi ={\frac {\pi Ld^{2}}{4}}c היא קטנה מאוד.
האנרגיה החופשית של החומר במסגרת מודל זה היא:
F=F_{0}+k_{B}T(\int f_{\vec {a}}(\theta )log(4\pi f_{\vec {a}}(\theta )c)d\Omega +{\frac {1}{2}}c\int \int f_{\vec {a}}(\theta )f_{{\vec {a}}'}(\theta ')\beta _{1}({\vec {a}}\cdot {\vec {a}}')d\Omega d\Omega ')
כאשר  T היא הטמפרטורה,  f_{\vec {a}}(\theta ) היא פונקציית ההתפלגות הזוויתית של מולקולה המתוארת על ידי הווקטור  {\vec {a}} ו \beta _{1}({\vec {a}}\cdot {\vec {a}}') הוא הנפח בו אסור למולקולה  {\vec {a}} להיות עקב איסור על חפיפה עם המולקולה  {\vec {a}}'. עבור מולקולות גליליות קשיחות נפח זה הוא  \beta _{1}({\vec {a}}\cdot {\vec {a}}')=2L^{2}d|sin(\gamma )|, כאשר  \gamma  היא הזווית בין שתי המולקולות.
לאחר מינימיזציה של האנרגיה החופשית מתקבל מעבר פאזה בין שתי פאזות אשר מאפייניו אינם תלויים בטמפרטורה. שתי הפאזות הן פאזה איזוטרופית בעלת צפיפות נפחית  \phi _{iso}=3.3{\frac {d}{L}} ופאזה נמטית בעלת צפיפות נפחית  \phi _{nema}=4.5{\frac {d}{L}}. במסגרת מודל זה מתקבל שינוי חד בפרמטר הסדר המיקרוסקופי. ערכו בעת מעבר הפאזה הוא  S_{c}\simeq 0.84.
פיתוחים פורמליים > מעבר פאזה נמטי-איזוטרופי > מודל שדה ממוצע עם אינטראקציות מסדר S2

למרות שמודל אונסנגר מצליח לתאר באופן איכותי את מעבר הפאזה, יש מאפיינים רבים שנצפו באופן נסיוני אותם הוא מתאר באופן שגוי: מעבר הפאזה מתרחש בצפיפויות נמוכות מדי, השינוי בצפיפות ופרמטר הסדר בעת מעבר הפאזה גדולים מדי ולא קיימת שום תלות בטמפרטורת החומר.
ב-1958 הציעו אלפרד זָאוּפֶּה ווילהלם מָאיֶר מודל אלטרנטיבי המתחשב באינטראקציה הבין מולקולרית עד לסדר שני בפרמטר הסדר המיקרוסקופי. במסגרת מודל זה האנתלפיה של החומר היא:
G(p,T)=G_{iso}(p,T)+k_{B}T\int f_{\vec {a}}(\theta )log(4\pi f_{\vec {a}}(\theta ))d\Omega -{\frac {1}{2}}U(p,T)S^{2}
כאשר  -{\frac {1}{2}}U(p,T)S^{2} היא אנרגיית האינטראקציה הבין מולקולרית. במסגרת הפיתוח הניחו סאופ ומאייר שאנרגיה זו בלתי תלויה בטמפרטורה.
לאחר מינימיזציה של האנתלפיה מתקבל פתרון לפונקציית ההתפלגות של המולקולות:
f(\theta )={\frac {1}{4\pi Z}}e^{{\frac {3US}{2k_{B}T}}cos^{2}(\theta )}
כאשר  Z הוא פקטור נרמול המוגדר על פי  Z=\int _{0}^{1}e^{{\frac {3US}{2k_{B}T}}x^{2}}dx.
באמצעות הצבה של פונקציית ההתפלגות בהגדרתו של פרמטר הסדר המיקרוסקופי מתקבלים שני פתרונות אפשריים המתארים את שתי הפאזות, כאשר כל פתרון מתאים לטווח טמפרטורות שונה. הטמפרטורה הקריטית המפרידה בין שתי הפאזות היא זו המקיימת  k_{B}T_{c}=4.55U(T_{c}) . עבור טמפרטורות גבוהות יותר הפאזה האיזוטרופית יציבה ועבור טמפרטורות נמוכות יותר הפאזה הנמטית יציבה.
התוצאות המתקבלות ממודל זה דומות מאוד לתוצאות הנסיוניות, אך עדיין קיים חוסר התאמה מסוים ביניהן. חוסר התאמה זה נובע מההנחה שאנרגיית האינטראקציה לא תלויה בטמפרטורה ומחוסר הדיוק של קירוב השדה הממוצע בסביבות הטמפרטורה הקריטית.