Figury Lichtenberga: historia, fizyczna zasada oddziaływania

Figury Lichtenberga nazywane są rozgałęzionymi, drzewiastymi wzorami uzyskanymi przez przepuszczanie wyładowań elektrycznych wysokiego napięcia na powierzchni lub wewnątrz masy materiałów dielektrycznych.

Pierwsze figury Lichtenberga są dwuwymiarowe, to figury uformowane z kurzu. Po raz pierwszy zaobserwował je w 1777 roku niemiecki fizyk - profesor Georga Christopha Lichtenberga… Unoszący się w powietrzu pył, który osiadł na powierzchniach naładowanych elektrycznie płytek z żywicy w jego laboratorium, stworzył te niezwykłe wzory.

Profesor demonstrował to zjawisko swoim studentom fizyki, opowiadał też o tym odkryciu w swoich wspomnieniach. Lichtenberg opisał to jako nową metodę badania natury i ruchu płynu elektrycznego.

Coś podobnego można przeczytać we wspomnieniach Lichtenberga. „Te wzory nie różnią się zbytnio od wzoru grawerowania. Czasami pojawiają się prawie niezliczone gwiazdy, Droga Mleczna i wielkie słońca. Tęcze świeciły po ich wypukłej stronie.

Rezultatem były błyszczące gałązki podobne do tych, które można zobaczyć, gdy wilgoć zamarza na oknie. Chmury o różnych kształtach i cienie o różnej głębokości. Ale największe wrażenie zrobiło na mnie to, że te liczby nie były łatwe do wymazania, ponieważ próbowałem je wymazać dowolną ze zwykłych metod.

Nie mogłem powstrzymać kształtów, które właśnie wymazałem, od ponownego świecenia, jaśniejszego. Na figury położyłem arkusz czarnego papieru pokrytego lepkim materiałem i lekko go docisnąłem. W ten sposób mogłem wykonać odbitki figurek, z których sześć zostało przedstawionych Towarzystwu Królewskiemu.

Ten nowy rodzaj akwizycji obrazu bardzo mnie ucieszył, ponieważ śpieszyło mi się robić inne rzeczy i nie miałem ani czasu, ani ochoty rysować ani niszczyć tych wszystkich rysunków. «

W swoich kolejnych eksperymentach profesor Lichtenberg używał różnych urządzeń elektrostatycznych wysokiego napięcia do ładowania powierzchni szerokiej gamy materiałów dielektrycznych, takich jak żywica, szkło, ebonit...

Następnie naładowane powierzchnie posypał mieszaniną czterotlenku siarki i ołowiu. Siarka (która została naładowana ujemnie w wyniku tarcia w pojemniku) była bardziej przyciągana do dodatnio naładowanych powierzchni.

Podobnie naładowane tarciem cząsteczki tetratlenku ołowiu, które mają ładunek dodatni, były przyciągane do ujemnie naładowanych obszarów powierzchni. Kolorowe proszki nadawały wcześniej niewidocznym obszarom ładunków związanych z powierzchnią wyraźnie widoczny kształt i pokazywały ich polaryzację.

W ten sposób dla profesora stało się jasne, że naładowane sekcje powierzchni zostały utworzone przez małe iskry. elektryczność statyczna… Iskry, gdy błysnęły po powierzchni dielektryka, pozostawiły oddzielne obszary jego powierzchni naładowane elektrycznie.

Po pojawieniu się na powierzchni dielektryka ładunki utrzymują się tam dość długo, ponieważ sam dielektryk zapobiega ich przemieszczaniu się i rozpraszaniu. Ponadto Lichtenberg stwierdził, że wzorce dodatnich i ujemnych wartości pyłu znacznie się różniły.

Wyładowania wytwarzane przez dodatnio naładowany drut wysokiego napięcia miały kształt gwiazdy z długimi ścieżkami rozgałęzień, podczas gdy wyładowania z elektrody ujemnej były krótsze, zaokrąglone, wachlarzowate i przypominające skorupę.

Ostrożnie umieszczając arkusze papieru na zakurzonych powierzchniach, Lichtenberg odkrył, że może przenosić obrazy na papier. W ten sposób ostatecznie ukształtowały się nowoczesne procesy kserografii i druku laserowego.On stworzył fizykę, która ewoluowała od figur proszkowych Lichtenberga do współczesnej nauki. na fizyce plazmy.

Wielu innych fizyków, eksperymentatorów i artystów studiowało dane Lichtenberga przez następne dwieście lat. Do wybitnych badaczy XIX i XX wieku należeli fizycy Gaston Plante I Peter T. Riess.

Pod koniec XIX wieku francuski artysta i naukowiec Etienne Leopolda Trouvaux Utworzony «Figurki Truvelo» — obecnie tzw Figury fotograficzne Lichtenberga - za pomocą Cewka Rumkorfa jako źródło wysokiego napięcia.

Innymi badaczami byli Thomas Burton Kinreid i profesorowie Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen i Arthur von Hippel.

Większość współczesnych badaczy i artystów wykorzystała kliszę fotograficzną do bezpośredniego uchwycenia słabego światła emitowanego przez wyładowania elektryczne.

Bogaty angielski przemysłowiec i badacz wysokich napięć, Lordzie Williama G. Armstronga opublikował dwie doskonałe, pełnokolorowe książki, które przedstawiają niektóre z jego badań nad wysokimi napięciami i liczbami Lichtenberga.

Chociaż te książki są teraz dość małe, kopia pierwszej książki Armstronga, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, została udostępniona dzięki uprzejmości Geoffa Beharry'ego w Muzeum Elektroterapii na przełomie wieków.

Odkrył to w połowie lat dwudziestych XX wieku von Hippel Figury Lichtenberga są w rzeczywistości wynikiem złożonych interakcji między wyładowaniami koronowymi lub małymi iskrami elektrycznymi zwanymi serpentynami, a powierzchnią dielektryczną poniżej.

Wyładowania elektryczne nakładają odpowiednie „wzorce” ładunku elektrycznego na powierzchnię dielektryka poniżej, gdzie tymczasowo się łączą. Von Hippel odkrył również, że zwiększenie przyłożonego napięcia lub zmniejszenie ciśnienia otaczającego gazu prowadzi do zwiększenia długości i średnicy poszczególnych ścieżek.

Peter Ries odkrył, że średnica dodatniej figury Lichtenberga była około 2,8 razy większa od średnicy figury ujemnej uzyskanej przy tym samym napięciu.

Zależności między wielkością liczb Lichtenberga w funkcji napięcia i polaryzacji były wykorzystywane we wczesnych przyrządach do pomiaru i rejestrowania wysokiego napięcia, takich jak klidonograf, do pomiaru zarówno napięcia szczytowego, jak i polaryzacji impulsów wysokiego napięcia.

Clidonograph, czasami nazywany „aparatem Lichtenberga”, może fotograficznie uchwycić rozmiar i kształt figur Lichtenberga spowodowanych anomalnymi przepięciami elektrycznymi. wzdłuż linii energetycznych wskutek pioruny.

Pomiary klidonograficzne umożliwiły badaczom piorunów i projektantom systemów elektroenergetycznych w latach 30. i 40. XX wieku dokładny pomiar napięć wywołanych wyładowaniami atmosferycznymi, dostarczając w ten sposób ważnych informacji o właściwościach elektrycznych wyładowań atmosferycznych.

Informacje te pozwoliły inżynierom energetycznym stworzyć „sztuczną błyskawicę” o podobnych właściwościach w laboratorium, aby mogli przetestować skuteczność różnych podejść do ochrony odgromowej. Od tego czasu ochrona odgromowa stała się integralną częścią projektowania wszystkich nowoczesnych systemów przesyłowych i dystrybucyjnych.

Na rysunku przedstawiono przykładowe klidonogramy dodatnich i ujemnych stanów przejściowych wysokiego napięcia o różnych amplitudach w zależności od polaryzacji. Zauważ, że dodatnie liczby Lichtenberga mają większą średnicę niż liczby ujemne, podczas gdy napięcia szczytowe są tej samej wielkości.

Nowsza wersja tego urządzenia, theinograph, wykorzystuje kombinację linii opóźniających i wielu czujników podobnych do klidonografu, aby uchwycić serię poklatkowych „migawek” stanu przejściowego, umożliwiając inżynierom uchwycenie ogólnego kształtu fali przejściowej za pomocą wysokiego napięcia.

Chociaż ostatecznie zostały one wyparte przez nowoczesny sprzęt elektroniczny, teinografy były nadal używane do lat 60. XX wieku do badania zachowania wyładowań atmosferycznych i przełączania stanów nieustalonych na liniach przesyłowych wysokiego napięcia.

Obecnie wiadomo, że Liczby Lichtenberga występują podczas przebicia elektrycznego gazów, cieczy izolacyjnych i stałych dielektryków. Liczby Lichtenberga można utworzyć w ciągu nanosekund, gdy do dielektryka przyłoży się bardzo wysokie napięcie elektryczne, lub mogą one rozwijać się przez kilka lat z powodu serii małych (niskoenergetycznych) awarii.

Niezliczone wyładowania niezupełne na powierzchni lub w stałych dielektrykach często tworzą wolno rosnące, częściowo przewodzące figury Lichtenberga na powierzchni 2D lub wewnętrzne trójwymiarowe drzewa elektryczne.

Dwuwymiarowe drzewa elektryczne często znajdują się na powierzchni zanieczyszczonych izolatorów linii elektroenergetycznych. Drzewa 3D mogą również powstawać w miejscach niewidocznych dla ludzkiego wzroku w izolatorach z powodu obecności drobnych zanieczyszczeń lub pustek lub w miejscach, w których izolator jest fizycznie uszkodzony.

Ponieważ te częściowo przewodzące drzewa mogą ostatecznie spowodować całkowitą awarię elektryczną izolatora, zapobieganie tworzeniu się i wzrostowi takich „drzew” u ich korzeni ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej niezawodności wszystkich urządzeń wysokonapięciowych.

Trójwymiarowe figury Lichtenberga z przezroczystego plastiku zostały po raz pierwszy stworzone przez fizyków Arno Brascha i Fritza Lange pod koniec lat czterdziestych XX wieku. Używając nowo odkrytego akceleratora elektronów, wstrzyknęli biliony wolnych elektronów do plastikowych próbek, powodując przebicie elektryczne i zwęglenie w kształcie wewnętrznej figury Lichtenberga.

elektrony — małe ujemnie naładowane cząstki, które krążą wokół dodatnio naładowanych jąder atomów tworzących całą skondensowaną materię. Brush i Lange wykorzystali impulsy wysokiego napięcia z wielomilionowego generatora Marksa, zaprojektowanego do napędzania impulsowego akceleratora wiązki elektronów.

Ich kondensator może generować impulsy o napięciu trzech milionów woltów i jest w stanie wytworzyć potężne wyładowanie swobodnych elektronów o niewiarygodnych prądach szczytowych do 100 000 amperów.

Świecący obszar silnie zjonizowanego powietrza utworzony przez wychodzącą wiązkę elektronów o wysokim natężeniu przypominał niebieskawo-fioletowy płomień silnika rakietowego.

Cały zestaw czarno-białych obrazów, w tym figurki Lichtenberga w przezroczystym plastikowym bloku, został niedawno udostępniony w Internecie.