Φιγούρες Lichtenberg: ιστορία, φυσική αρχή της πρόσκρουσης

Οι φιγούρες του Lichtenberg ονομάζονται διακλαδισμένα, δέντρα μοτίβα που λαμβάνονται με τη διέλευση ηλεκτρικών εκκενώσεων υψηλής τάσης στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό του κύριου όγκου των διηλεκτρικών υλικών.

Οι πρώτες φιγούρες του Λίχτενμπεργκ είναι δισδιάστατες, είναι φιγούρες που σχηματίζονται από σκόνη. Για πρώτη φορά παρατηρήθηκαν το 1777 από Γερμανό φυσικό - καθηγητή Georg Christoph Lichtenberg… Η αερομεταφερόμενη σκόνη που κατακάθισε στις επιφάνειες των ηλεκτρικά φορτισμένων πλακών ρητίνης στο εργαστήριό του δημιούργησε αυτά τα ασυνήθιστα μοτίβα.

Ο καθηγητής έδειξε αυτό το φαινόμενο στους μαθητές του φυσικής, μίλησε και για αυτή την ανακάλυψη στα απομνημονεύματά του. Ο Lichtenberg έγραψε για αυτό ως μια νέα μέθοδο μελέτης της φύσης και της κίνησης ενός ηλεκτρικού ρευστού.

Κάτι παρόμοιο μπορεί να διαβαστεί στα απομνημονεύματα του Λίχτενμπεργκ. «Αυτά τα σχέδια δεν διαφέρουν πολύ από το μοτίβο της χαρακτικής. Μερικές φορές εμφανίζονται σχεδόν αμέτρητα αστέρια, ο Γαλαξίας και οι μεγάλοι ήλιοι. Τα ουράνια τόξα έλαμπαν στην κυρτή πλευρά τους.

Το αποτέλεσμα ήταν λαμπερά κλαδιά παρόμοια με αυτά που φαίνονται όταν παγώνει η υγρασία σε ένα παράθυρο. Σύννεφα διαφορετικών σχημάτων και σκιές διαφορετικού βάθους. Αλλά η μεγαλύτερη εντύπωση για μένα ήταν ότι αυτοί οι αριθμοί δεν ήταν εύκολο να διαγραφούν γιατί προσπάθησα να τους σβήσω με οποιαδήποτε από τις συνήθεις μεθόδους.

Δεν μπορούσα να σταματήσω τα σχήματα που μόλις είχα σβήσει να λάμπουν ξανά, πιο φωτεινά. Έβαλα στις φιγούρες ένα φύλλο μαύρο χαρτί ντυμένο με παχύρρευστο υλικό και το πάτησα ελαφρά. Μπόρεσα έτσι να κάνω εκτυπώσεις φιγούρων, έξι από τις οποίες παρουσιάστηκαν στη Βασιλική Εταιρεία.

Αυτός ο νέος τύπος απόκτησης εικόνας με έκανε εξαιρετικά χαρούμενη γιατί βιαζόμουν να κάνω άλλα πράγματα και δεν είχα ούτε τον χρόνο ούτε την επιθυμία να σχεδιάσω ή να καταστρέψω όλα αυτά τα σχέδια. «

Στα επόμενα πειράματά του, ο καθηγητής Lichtenberg χρησιμοποίησε διάφορες ηλεκτροστατικές συσκευές υψηλής τάσης για να φορτίσει τις επιφάνειες μιας μεγάλης ποικιλίας διηλεκτρικών υλικών όπως ρητίνη, γυαλί, εβονίτης...

Στη συνέχεια σκόνησε ένα μείγμα θείου και τετροξειδίου του μολύβδου στις φορτισμένες επιφάνειες. Το θείο (το οποίο φορτίστηκε αρνητικά από την τριβή στο δοχείο) έλκονταν περισσότερο από τις θετικά φορτισμένες επιφάνειες.

Ομοίως, σωματίδια τετροξειδίου του μολύβδου φορτισμένα με τριβή που έχουν θετικό φορτίο έλκονταν σε αρνητικά φορτισμένες περιοχές της επιφάνειας. Οι έγχρωμες σκόνες έδωσαν στις προηγουμένως αόρατες περιοχές επιφανειακά δεσμευμένων φορτίων ένα καθαρό ορατό σχήμα και έδειξαν την πολικότητα τους.

Έτσι έγινε σαφές στον καθηγητή ότι τα φορτισμένα τμήματα της επιφάνειας σχηματίστηκαν από μικρούς σπινθήρες. ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ… Οι σπινθήρες, καθώς αναβοσβήνουν στην επιφάνεια του διηλεκτρικού, άφησαν ξεχωριστές περιοχές της επιφάνειάς του ηλεκτρικά φορτισμένες.

Αφού εμφανιστούν στην επιφάνεια του διηλεκτρικού, τα φορτία παραμένουν εκεί για αρκετό καιρό, αφού το ίδιο το διηλεκτρικό εμποδίζει την κίνηση και τη διασπορά τους. Επιπλέον, ο Lichtenberg διαπίστωσε ότι τα μοτίβα των θετικών και αρνητικών τιμών σκόνης ήταν σημαντικά διαφορετικά.

Οι εκκενώσεις που παράγονται από το θετικά φορτισμένο σύρμα υψηλής τάσης είχαν σχήμα αστεριού με μεγάλες διαδρομές διακλάδωσης, ενώ οι εκκενώσεις από το αρνητικό ηλεκτρόδιο ήταν μικρότερες, στρογγυλεμένες, σε σχήμα ανεμιστήρα και κελύφους.

Τοποθετώντας προσεκτικά φύλλα χαρτιού στις σκονισμένες επιφάνειες, ο Λίχτενμπεργκ ανακάλυψε ότι μπορούσε να μεταφέρει εικόνες σε χαρτί. Έτσι, τελικά διαμορφώθηκαν οι σύγχρονες διαδικασίες της ξηρογραφίας και της εκτύπωσης με λέιζερ.Ίδρυσε τη φυσική που εξελίχθηκε από τις φιγούρες πούδρας του Λίχτενμπεργκ στη σύγχρονη επιστήμη. στη φυσική του πλάσματος.

Πολλοί άλλοι φυσικοί, πειραματιστές και καλλιτέχνες μελέτησαν τις φιγούρες του Lichtenberg τα επόμενα διακόσια χρόνια. Σημαντικοί ερευνητές του 19ου και 20ου αιώνα περιελάμβαναν φυσικούς Gaston Plante και Peter T. Riess.

Στα τέλη του 19ου αιώνα, Γάλλος καλλιτέχνης και επιστήμονας Etienne Leopold Trouvaux δημιουργήθηκε «Φιγούρες Τρουβέλο» — γνωστό πλέον ως Φωτογραφικές φιγούρες Lichtenberg - χρησιμοποιώντας Πηνίο Rumkorf ως πηγή υψηλής τάσης.

Άλλοι ερευνητές ήταν ο Thomas Burton Kinreid και οι καθηγητές Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen και Arthur von Hippel.

Οι περισσότεροι σύγχρονοι ερευνητές και καλλιτέχνες έχουν χρησιμοποιήσει φωτογραφικό φιλμ για να συλλάβουν άμεσα το αχνό φως που εκπέμπεται από ηλεκτρικές εκκενώσεις.

Ένας πλούσιος Άγγλος βιομήχανος και ερευνητής υψηλής τάσης, ο Λόρδος William G. Armstrong δημοσίευσε δύο εξαιρετικά έγχρωμα βιβλία που παρουσιάζουν μερικές από τις έρευνές του για τα στοιχεία υψηλής τάσης και Lichtenberg.

Αν και αυτά τα βιβλία είναι τώρα αρκετά μικρά, ένα αντίγραφο του πρώτου βιβλίου του Άρμστρονγκ, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, έγινε διαθέσιμο μέσω των ευγενικών προσπαθειών του Geoff Beharry στο Μουσείο Ηλεκτροθεραπείας στις αρχές του αιώνα.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1920, ο von Hippel το ανακάλυψε αυτό Οι φιγούρες του Lichtenberg είναι στην πραγματικότητα το αποτέλεσμα πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των εκκενώσεων κορώνας, ή των μικροσκοπικών ηλεκτρικών σπινθήρων που ονομάζονται streamers, και της διηλεκτρικής επιφάνειας από κάτω.

Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις εφαρμόζουν αντίστοιχα «μοτίβα» ηλεκτρικού φορτίου στη διηλεκτρική επιφάνεια από κάτω, όπου συνδέονται προσωρινά. Ο Von Hippel διαπίστωσε επίσης ότι η αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης ή η μείωση της πίεσης του περιβάλλοντος αερίου οδήγησε σε αύξηση του μήκους και της διαμέτρου των επιμέρους μονοπατιών.

Ο Peter Ries βρήκε ότι η διάμετρος του θετικού αριθμού Lichtenberg ήταν περίπου 2,8 φορές η διάμετρος του αρνητικού αριθμού που ελήφθη στην ίδια τάση.

Οι σχέσεις μεταξύ του μεγέθους των ψηφίων του Lichtenberg ως συνάρτηση της τάσης και της πολικότητας χρησιμοποιήθηκαν σε πρώιμα όργανα μέτρησης και καταγραφής υψηλής τάσης, όπως ο κλειδονογράφος, για τη μέτρηση τόσο της μέγιστης τάσης όσο και της πολικότητας των παλμών υψηλής τάσης.

Ο κλειδονογράφος, που μερικές φορές αποκαλείται «κάμερα Lichtenberg», μπορεί να αποτυπώσει φωτογραφικά το μέγεθος και το σχήμα των μορφών του Lichtenberg που προκαλούνται από ανώμαλες ηλεκτρικές υπερτάσεις. κατά μήκος των ηλεκτροφόρων γραμμών εξαιτίας κεραυνοί.

Οι κλειδογραφικές μετρήσεις επέτρεψαν σε ερευνητές κεραυνών και σχεδιαστές συστημάτων ισχύος στη δεκαετία του 1930 και του 1940 να μετρήσουν με ακρίβεια τις τάσεις που προκαλούνται από κεραυνούς, παρέχοντας έτσι σημαντικές πληροφορίες για τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κεραυνού.

Αυτές οι πληροφορίες επέτρεψαν στους μηχανικούς ισχύος να δημιουργήσουν «τεχνητούς κεραυνούς» με παρόμοια χαρακτηριστικά στο εργαστήριο, ώστε να μπορούν να δοκιμάσουν την αποτελεσματικότητα διαφορετικών προσεγγίσεων για την αντικεραυνική προστασία. Έκτοτε, η αντικεραυνική προστασία έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος του σχεδιασμού όλων των σύγχρονων συστημάτων μεταφοράς και διανομής.

Το σχήμα δείχνει παραδείγματα κλειδονογραμμάτων θετικών και αρνητικών μεταβατικών φαινομένων υψηλής τάσης με διαφορετικά πλάτη ανάλογα με την πολικότητα. Παρατηρήστε πώς οι θετικές τιμές του Lichtenberg είναι μεγαλύτερες σε διάμετρο από τις αρνητικές τιμές, ενώ οι μέγιστες τάσεις είναι του ίδιου μεγέθους.

Μια νεότερη έκδοση αυτής της συσκευής, ο theinograph, χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό γραμμών καθυστέρησης και πολλαπλών αισθητήρων που μοιάζουν με κλειδονογράφο για να τραβήξει μια σειρά από "στιγμιότυπα" ενός παροδικού χρόνου, επιτρέποντας στους μηχανικούς να καταγράφουν τη συνολική μεταβατική κυματομορφή με υψηλή τάση.

Αν και τελικά αντικαταστάθηκαν από τον σύγχρονο ηλεκτρονικό εξοπλισμό, οι θεινογράφοι συνέχισαν να χρησιμοποιούνται μέχρι τη δεκαετία του 1960 για τη μελέτη της συμπεριφοράς των κεραυνών και των μεταβατικών στοιχείων μεταγωγής σε γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης.

Είναι πλέον γνωστό ότι Τα στοιχεία του Lichtenberg εμφανίζονται κατά την ηλεκτρική διάσπαση αερίων, μονωτικών υγρών και στερεών διηλεκτρικών. Τα στοιχεία του Lichtenberg μπορούν να δημιουργηθούν σε νανοδευτερόλεπτα όταν εφαρμόζεται πολύ υψηλή ηλεκτρική τάση στο διηλεκτρικό ή μπορούν να αναπτυχθούν σε αρκετά χρόνια λόγω μιας σειράς μικρών (χαμηλής ενέργειας) αστοχιών.

Αμέτρητες μερικές εκκενώσεις στην επιφάνεια ή μέσα σε στερεά διηλεκτρικά συχνά δημιουργούν βραδέως αναπτυσσόμενες, μερικώς αγώγιμες φιγούρες της επιφάνειας Lichtenberg ή εσωτερικά τρισδιάστατα ηλεκτρικά δέντρα.

Δισδιάστατα ηλεκτρικά δέντρα βρίσκονται συχνά στην επιφάνεια των μολυσμένων μονωτών γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τρισδιάστατα δέντρα μπορούν επίσης να σχηματιστούν σε περιοχές που κρύβονται από την ανθρώπινη όραση σε μονωτήρες λόγω της παρουσίας μικρών ακαθαρσιών ή κενών ή σε μέρη όπου ο μονωτήρας έχει υποστεί φυσική βλάβη.

Δεδομένου ότι αυτά τα μερικώς αγώγιμα δέντρα μπορούν τελικά να προκαλέσουν πλήρη ηλεκτρική βλάβη του μονωτή, η αποτροπή του σχηματισμού και ανάπτυξης τέτοιων "δέντρων" στις ρίζες τους είναι κρίσιμη για τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία όλου του εξοπλισμού υψηλής τάσης.

Οι τρισδιάστατες φιγούρες του Lichtenberg σε διαφανές πλαστικό δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά από τους φυσικούς Arno Brasch και Fritz Lange στα τέλη της δεκαετίας του 1940. Χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή ηλεκτρονίων που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, έγχυσαν τρισεκατομμύρια ελεύθερα ηλεκτρόνια σε πλαστικά δείγματα, προκαλώντας ηλεκτρική διάσπαση και απανθράκωση στο σχήμα της εσωτερικής φιγούρας του Lichtenberg.

Ηλεκτρόνια — μικρά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που περιστρέφονται γύρω από τους θετικά φορτισμένους πυρήνες των ατόμων που αποτελούν όλη τη συμπυκνωμένη ύλη. Οι Brush και Lange χρησιμοποίησαν παλμούς υψηλής τάσης από τη γεννήτρια πολλών εκατομμυρίων δολαρίων του Marx που σχεδιάστηκε για να οδηγεί έναν επιταχυντή παλμικής δέσμης ηλεκτρονίων.

Η συσκευή πυκνωτή τους μπορεί να παράγει παλμούς τριών εκατομμυρίων βολτ και είναι ικανή να δημιουργήσει μια ισχυρή εκκένωση ελεύθερων ηλεκτρονίων με απίστευτα ρεύματα αιχμής έως και 100.000 αμπέρ.

Η λαμπερή περιοχή του εξαιρετικά ιονισμένου αέρα που δημιουργήθηκε από την εξερχόμενη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλού ρεύματος έμοιαζε με τη γαλαζωπό-ιώδη φλόγα μιας μηχανής πυραύλων.

Το πλήρες σετ ασπρόμαυρων εικόνων, συμπεριλαμβανομένων των φιγούρων του Lichtenberg σε ένα διαφανές πλαστικό μπλοκ, έγινε πρόσφατα διαθέσιμο στο διαδίκτυο.