Cifrele Lichtenberg: istorie, principiul fizic al impactului

Figurile Lichtenberg sunt numite modele ramificate, asemănătoare arborelui, obținute prin trecerea descărcărilor electrice de înaltă tensiune la suprafață sau în interiorul majorității materialelor dielectrice.

Primele figuri ale lui Lichtenberg sunt bidimensionale, sunt figuri formate din praf. Pentru prima dată au fost observate în 1777 de un fizician - profesor german Georg Christoph Lichtenberg… Praful din aer care s-a depus pe suprafețele plăcilor de rășină încărcate electric în laboratorul său a creat aceste modele neobișnuite.

Profesorul a demonstrat acest fenomen studenților săi la fizică, despre această descoperire a vorbit și în memoriile sale. Lichtenberg a scris despre aceasta ca fiind o nouă metodă de a studia natura și mișcarea unui fluid electric.

Ceva asemănător poate fi citit în memoriile lui Lichtenberg. „Aceste modele nu sunt foarte diferite de modelul de gravură. Uneori apar aproape nenumărate stele, Calea Lactee și marii sori. Curcubeele străluceau pe partea lor convexă.

Rezultatul au fost crengi strălucitoare asemănătoare cu cele care pot fi văzute atunci când umezeala îngheață pe o fereastră. Nori de diferite forme și umbre de diferite adâncimi. Dar cea mai mare impresie pentru mine a fost că aceste numere nu erau ușor de șters, deoarece am încercat să le șterg prin oricare dintre metodele obișnuite.

Nu am putut opri formele pe care tocmai le-am șterse să strălucească din nou, mai strălucitoare. Am pus o foaie de hârtie neagră acoperită cu material vâscos pe figuri și am apăsat-o ușor. Am putut astfel să fac amprente de figuri, dintre care șase au fost prezentate Societății Regale.

Acest nou tip de achiziție de imagini m-a făcut extrem de fericit pentru că mă grăbeam să fac alte lucruri și nu aveam nici timp, nici dorința să desenez sau să distrug toate aceste desene. «

În experimentele sale ulterioare, profesorul Lichtenberg a folosit diverse dispozitive electrostatice de înaltă tensiune pentru a încărca suprafețele unei game largi de materiale dielectrice, cum ar fi rășină, sticlă, ebonită...

Apoi a făcut praf un amestec de sulf și tetroxid de plumb pe suprafețele încărcate. Sulful (care a devenit încărcat negativ prin frecare în recipient) a fost mai atras de suprafețele încărcate pozitiv.

De asemenea, particulele de tetroxid de plumb încărcate prin frecare care au o sarcină pozitivă au fost atrase de regiunile încărcate negativ ale suprafeței. Pulberile colorate au dat regiunilor anterior invizibile ale sarcinilor legate de suprafață o formă vizibilă clară și și-au arătat polaritatea.

Astfel a devenit clar pentru profesor că secțiunile încărcate ale suprafeței erau formate din mici scântei. electricitate statica… Scânteile, în timp ce străluceau pe suprafața dielectricului, au lăsat zone separate ale suprafeței sale încărcate electric.

După ce apar pe suprafața dielectricului, sarcinile rămân acolo destul de mult timp, deoarece dielectricul însuși împiedică mișcarea și dispersia lor. În plus, Lichtenberg a constatat că modelele valorilor pozitive și negative ale prafului au fost semnificativ diferite.

Descărcările produse de firul de înaltă tensiune încărcat pozitiv au fost în formă de stea cu căi lungi de ramificare, în timp ce descărcările de la electrodul negativ au fost mai scurte, rotunjite, în formă de evantai și asemănătoare cochiliei.

Așezând cu grijă foi de hârtie pe suprafețele prăfuite, Lichtenberg a descoperit că poate transfera imaginile pe hârtie. Astfel, s-au format în cele din urmă procesele moderne de xerografie și imprimare cu laser.El a fondat fizica care a evoluat de la figurile de pulbere ale lui Lichtenberg în știința modernă. despre fizica plasmei.

Mulți alți fizicieni, experimentatori și artiști au studiat cifrele lui Lichtenberg în următoarele două sute de ani. Cercetătorii de seamă din secolele XIX și XX au inclus fizicieni Gaston Plante și Peter T. Riess.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, un artist și om de știință francez Etienne Leopold Trouvaux creată „Figuri Truvelo” — acum cunoscut ca Figuri fotografice Lichtenberg — folosind Bobina Rumkorf ca sursă de înaltă tensiune.

Alți cercetători au fost Thomas Burton Kinreid și profesorii Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen și Arthur von Hippel.

Majoritatea cercetătorilor și artiștilor moderni au folosit filmul fotografic pentru a capta direct lumina slabă emisă de descărcări electrice.

Un bogat industriaș englez și cercetător de înaltă tensiune, Lord William G. Armstrong a publicat două cărți excelente, pline de culoare, care prezintă unele dintre cercetările sale asupra cifrelor de înaltă tensiune și Lichtenberg.

Deși aceste cărți sunt acum destul de mici, o copie a primei cărți a lui Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, a fost pusă la dispoziție prin eforturile amabile ale lui Geoff Beharry la Muzeul Electroterapiei la începutul secolului.

La mijlocul anilor 1920, von Hippel a descoperit că Cifrele Lichtenberg sunt de fapt rezultatul interacțiunilor complexe dintre descărcările corona, sau scântei electrice minuscule numite streamers, și suprafața dielectrică de dedesubt.

Descărcările electrice aplică „modele” corespunzătoare de sarcină electrică suprafeței dielectrice de dedesubt, unde se leagă temporar. Von Hippel a constatat, de asemenea, că creșterea tensiunii aplicate sau scăderea presiunii gazului din jur a dus la o creștere a lungimii și diametrului căilor individuale.

Peter Ries a descoperit că diametrul figurii pozitive Lichtenberg era de aproximativ 2,8 ori diametrul figurii negative obținute la aceeași tensiune.

Relațiile dintre dimensiunea figurilor Lichtenberg în funcție de tensiune și polaritate au fost utilizate în instrumentele timpurii de măsurare și înregistrare a tensiunii înalte, cum ar fi clidonograful, pentru a măsura atât tensiunea de vârf, cât și polaritatea impulsurilor de înaltă tensiune.

Clidonograful, numit uneori „camera Lichtenberg”, poate surprinde fotografic dimensiunea și forma figurilor Lichtenberg cauzate de supratensiuni electrice anormale. de-a lungul liniilor electrice din cauza fulgere.

Măsurătorile clidonografice au permis cercetătorilor de fulgere și proiectanților de sisteme de alimentare din anii 1930 și 1940 să măsoare cu precizie tensiunile induse de fulgere, oferind astfel informații importante despre caracteristicile electrice ale fulgerului.

Aceste informații au permis inginerilor energetici să creeze „fulger artificial” cu caracteristici similare în laborator, astfel încât să poată testa eficiența diferitelor abordări ale protecției împotriva trăsnetului. De atunci, protecția împotriva trăsnetului a devenit o parte integrantă a designului tuturor sistemelor moderne de transport și distribuție.

Figura prezintă exemple de clidonograme de tranzitorii pozitivi și negativi de înaltă tensiune cu amplitudini diferite în funcție de polaritate. Observați cum cifrele Lichtenberg pozitive sunt mai mari în diametru decât cifrele negative, în timp ce tensiunile de vârf sunt de aceeași mărime.

O versiune mai nouă a acestui dispozitiv, teinograful, folosește o combinație de linii de întârziere și senzori de tip clidonograf pentru a capta o serie de „instantanee” time-lapse ale unui tranzitoriu, permițând inginerilor să capteze forma de undă tranzitorie generală cu tensiune înaltă.

Deși au fost în cele din urmă înlocuite de echipamente electronice moderne, inografiile au continuat să fie folosite în anii 1960 pentru a studia comportamentul fulgerelor și tranzitorii de comutare pe liniile de transmisie de înaltă tensiune.

Acum se știe că Cifrele Lichtenberg apar în timpul defecțiunii electrice a gazelor, a lichidelor izolante și a dielectricilor solizi. Cifrele Lichtenberg pot fi create în nanosecunde atunci când dielectricului i se aplică o tensiune electrică foarte mare sau se pot dezvolta pe parcursul mai multor ani din cauza unei serii de defecțiuni mici (de energie scăzută).

Nenumărate descărcări parțiale la suprafață sau în interiorul dielectricilor solizi creează adesea figuri Lichtenberg de suprafață 2D conducătoare parțial, cu creștere lentă, sau arbori electrici 3D interni.

Arborii electrici 2D se găsesc adesea pe suprafața izolatoarelor contaminate ale liniilor electrice. Copacii 3D se pot forma, de asemenea, în zone ascunse vederii umane în izolatoare din cauza prezenței unor impurități mici sau goluri, sau în locurile în care izolatorul este deteriorat fizic.

Deoarece acești copaci conducători parțial pot provoca în cele din urmă o defecțiune electrică completă a izolatorului, prevenirea formării și creșterii unor astfel de „copaci” la rădăcinile lor este esențială pentru fiabilitatea pe termen lung a tuturor echipamentelor de înaltă tensiune.

Figurile tridimensionale ale lui Lichtenberg din plastic transparent au fost create pentru prima dată de fizicienii Arno Brasch și Fritz Lange la sfârșitul anilor 1940. Folosind acceleratorul lor de electroni recent descoperit, ei au injectat trilioane de electroni liberi în mostre de plastic, provocând defecțiuni electrice și carbonizare în forma figurii interioare a lui Lichtenberg.

Electronii — particule mici încărcate negativ care se învârt în jurul nucleelor ​​încărcate pozitiv ale atomilor care formează toată materia condensată. Brush și Lange au folosit impulsuri de înaltă tensiune de la generatorul de milioane de dolari al lui Marx, conceput pentru a conduce un accelerator de fascicul de electroni pulsat.

Dispozitivul lor condensator poate genera impulsuri de trei milioane de volți și este capabil să creeze o descărcare puternică de electroni liberi cu curenți de vârf incredibili de până la 100.000 de amperi.

Regiunea strălucitoare a aerului puternic ionizat creată de fasciculul de electroni de curent ridicat semăna cu flacăra violet-albăstruie a unui motor de rachetă.

Setul complet de imagini alb-negru, inclusiv figurile Lichtenberg într-un bloc de plastic transparent, a devenit recent disponibil online.