Lichtenberg alakjai: történelem, hatás fizikai elve
A Lichtenberg-figurákat elágazó, faszerű mintáknak nevezik, amelyeket úgy kapnak, hogy nagyfeszültségű elektromos kisüléseket vezetnek át a dielektromos anyagok nagy részének felületén vagy belsejében.
Lichtenberg első figurái kétdimenziósak, porból formált alakok. Először 1777-ben figyelte meg őket egy német fizikus - professzor Georg Christoph Lichtenberg… A laboratóriumában az elektromosan töltött gyantalemezek felületén szálló por hozta létre ezeket a szokatlan mintákat.
A professzor ezt a jelenséget mutatta be fizikus hallgatóinak, emlékirataiban is beszélt erről a felfedezésről. Lichtenberg ezt az elektromos folyadék természetének és mozgásának tanulmányozásának új módszereként írta le.
Valami hasonlót olvashatunk Lichtenberg emlékirataiban is. „Ezek a minták nem nagyon különböznek a gravírozási mintától. Néha szinte számtalan csillag jelenik meg, a Tejút és a nagy napok. A domború oldalukon szivárványok ragyogtak.
Az eredmény olyan fényes gallyak lett, amelyek hasonlóak azokhoz, amelyek akkor láthatók, amikor a nedvesség ráfagy az ablakra. Különböző formájú felhők és különböző mélységű árnyékok. De számomra az volt a legnagyobb benyomásom, hogy ezeket a számokat nem volt könnyű törölni, mert a szokásos módszerekkel próbáltam törölni őket.
Nem tudtam megakadályozni, hogy az imént kitörölt formák újra fényesebben ragyogjanak. A figurákra egy viszkózus anyaggal bevont fekete papírlapot tettem és enyhén megnyomkodtam. Így sikerült figurákat nyomtatnom, amelyek közül hatot bemutattak a Királyi Társaságnak.
Ez az újfajta képszerzés rendkívül boldoggá tett, mert siettem más dolgokra, és nem volt sem időm, sem kedvem megrajzolni vagy megsemmisíteni ezeket a rajzokat. «
Későbbi kísérleteiben Lichtenberg professzor különféle nagyfeszültségű elektrosztatikus eszközöket használt különféle dielektromos anyagok, például gyanta, üveg, ebonit...
Ezután kén és ólom-tetroxid keverékével porolta le a töltött felületeket. A kén (amely a tartályban lévő súrlódás következtében negatív töltésűvé vált) jobban vonzódott a pozitív töltésű felületekhez.
Hasonlóképpen, a súrlódó töltésű ólom-tetroxid részecskék, amelyek pozitív töltéssel rendelkeznek, a felület negatív töltésű részeihez vonzódtak. A színes porok a felszínhez kötött töltések korábban láthatatlan területei jól látható formát adtak, és megmutatták polaritásukat.
Így a professzor számára világossá vált, hogy a felület töltött szakaszait apró szikrák alkotják. statikus elektromosság… A szikrák, amint átvillantak a dielektrikum felületén, a felület különálló részeit elektromosan feltöltötték.
A töltések a dielektrikum felületén való megjelenése után elég hosszú ideig ott maradnak, mivel a dielektrikum maga akadályozza meg mozgásukat és szétszóródásukat. Ezenkívül Lichtenberg megállapította, hogy a pozitív és negatív porértékek mintázata jelentősen eltér.
A pozitív töltésű nagyfeszültségű vezeték által keltett kisülések csillag alakúak, hosszú elágazási útvonalakkal, míg a negatív elektródától rövidebbek, lekerekítettek, legyező alakúak és héjszerűek.
Azáltal, hogy óvatosan papírlapokat helyezett a poros felületekre, Lichtenberg felfedezte, hogy képes képeket papírra vinni. Így végül kialakultak a xerográfia és a lézernyomtatás modern eljárásai, ő alapozta meg azt a fizikát, amely Lichtenberg porfiguráiból a modern tudományba fejlődött. a plazmafizikáról.
Sok más fizikus, kísérletező és művész tanulmányozta Lichtenberg figuráit a következő kétszáz évben. A 19. és 20. század jelentős kutatói között fizikusok is voltak Gaston Plante és Peter T. Riess.
A 19. század végén francia művész és tudós Etienne Leopold Trouvaux létre "Truvelo figurák" – ma ismert néven Lichtenberg fotófigurák - használata Rumkorf tekercs nagyfeszültségű forrásként.
További kutatók voltak Thomas Burton Kinreid és Carl Edward Magnusson professzorok, Maximilian Topler, P.O. Pedersen és Arthur von Hippel.
A legtöbb modern kutató és művész fotófilmet használt a kibocsátott gyenge fény közvetlen rögzítésére elektromos kisülések.
Egy gazdag angol iparos és nagyfeszültségű kutató, Lord William G. Armstrong kiadott két kiváló színes könyvet, amelyek bemutatják a nagyfeszültséggel és a Lichtenberg-figurákkal kapcsolatos kutatásait.
Bár ezek a könyvek ma már meglehetősen kicsik, Armstrong első könyvének, az Elektromos mozgás a levegőben és a vízben elméleti levezetésekkel egy példánya elérhetővé vált Geoff Beharry szíves erőfeszítései révén az Elektroterápiás Múzeumban a századfordulón.
Az 1920-as évek közepén von Hippel felfedezte A Lichtenberg-figurák valójában a koronakisülések vagy apró elektromos szikrák, az úgynevezett streamerek és az alatta lévő dielektromos felület közötti összetett kölcsönhatások eredményei.
Az elektromos kisülések a megfelelő elektromos töltési "mintákat" alkalmazzák az alatta lévő dielektromos felületre, ahol ideiglenesen megtapadnak. Von Hippel azt is megállapította, hogy az alkalmazott feszültség növelése vagy a környező gáz nyomásának csökkentése az egyes utak hosszának és átmérőjének növekedéséhez vezetett.
Peter Ries azt találta, hogy a pozitív Lichtenberg-figura átmérője körülbelül 2,8-szorosa az azonos feszültség mellett kapott negatív alak átmérőjének.
A Lichtenberg-figurák mérete közötti összefüggéseket a feszültség és a polaritás függvényében alkalmazták a korai nagyfeszültségű mérő- és rögzítőműszerekben, például a klidonográfban, a nagyfeszültségű impulzusok csúcsfeszültségének és polaritásának mérésére egyaránt.
A klidonográf, amelyet néha "Lichtenberg-kamerának" is neveznek, képes fényképesen rögzíteni a rendellenes elektromos túlfeszültségek által okozott Lichtenberg-figurák méretét és alakját. elektromos vezetékek mentén következtében villámok.
A klidonográfiás mérések lehetővé tették a villámkutatók és az energiarendszer-tervezők számára az 1930-as és 1940-es években, hogy pontosan mérhessék a villámcsapás által kiváltott feszültségeket, és ezáltal fontos információkkal szolgáljanak a villámlás elektromos jellemzőiről.
Ez az információ lehetővé tette az energetikai mérnökök számára, hogy a laboratóriumban hasonló tulajdonságokkal rendelkező "mesterséges villámokat" hozzanak létre, hogy tesztelhessék a villámvédelem különböző megközelítéseinek hatékonyságát. Azóta a villámvédelem minden modern átviteli és elosztórendszer tervezésének szerves részévé vált.
Az ábrán a polaritástól függően eltérő amplitúdójú pozitív és negatív nagyfeszültségű tranziensek klidonogramjai láthatók. Figyeljük meg, hogy a pozitív Lichtenberg-számok átmérője nagyobb, mint a negatív, míg a csúcsfeszültségek azonos nagyságúak.
Ennek az eszköznek az újabb verziója, a theinográf, késleltetési vonalak és több klidonográf-szerű érzékelő kombinációját használja egy tranziens időzített "pillanatfelvételeinek" sorozatának rögzítésére, lehetővé téve a mérnökök számára, hogy nagyfeszültséggel rögzítsék a teljes tranziens hullámformát.
Bár végül felváltották őket a modern elektronikus berendezések, az inográfokat az 1960-as években is használták a villámlás és a kapcsolási tranziensek viselkedésének tanulmányozására a nagyfeszültségű távvezetékeken.
Ma már ismert, hogy A Lichtenberg-figurák gázok, szigetelő folyadékok és szilárd dielektrikumok elektromos lebomlása során keletkeznek. A Lichtenberg-figurák nanomásodpercek alatt keletkezhetnek, amikor nagyon nagy elektromos feszültséget kapcsolnak a dielektrikumra, vagy több év alatt is kialakulhatnak kisebb (alacsony energiájú) meghibásodások sorozata miatt.
Számtalan részleges kisülés a felszínen vagy a szilárd dielektrikumon belül gyakran lassan növekvő, részben vezető 2D felületű Lichtenberg-figurákat vagy belső 3D-s elektromos fákat hoz létre.
A 2D elektromos fák gyakran találhatók a szennyezett elektromos vezetékek szigetelőinek felületén. A 3D fák az emberi látás elől elzárt területeken is kialakulhatnak a szigetelőkben kis szennyeződések vagy üregek jelenléte miatt, vagy olyan helyeken, ahol a szigetelő fizikailag megsérül.
Mivel ezek a részben vezető fák végül a szigetelő teljes elektromos meghibásodását okozhatják, az ilyen "fák" kialakulásának és növekedésének megakadályozása a gyökereiknél kritikus fontosságú az összes nagyfeszültségű berendezés hosszú távú megbízhatósága szempontjából.
Lichtenberg átlátszó műanyagból készült háromdimenziós figuráit először Arno Brasch és Fritz Lange fizikusok alkották meg az 1940-es évek végén. Újonnan felfedezett elektrongyorsítójuk segítségével több billió szabad elektront fecskendeztek műanyag mintákba, elektromos törést és elszenesedést okozva a belső Lichtenberg-figura alakjában.
Elektronok - kis negatív töltésű részecskék, amelyek az összes kondenzált anyagot alkotó pozitív töltésű atommagok körül keringenek. Brush és Lange Marx többmillió dolláros generátorának nagyfeszültségű impulzusait használta, amelyeket egy impulzusos elektronsugaras gyorsító meghajtására terveztek.
Kondenzátorkészülékük hárommillió voltos impulzusokat képes generálni, és képes szabad elektronok erőteljes kisülését létrehozni hihetetlen, akár 100 000 amperes csúcsárammal.
A kilépő nagyáramú elektronsugár által létrehozott erősen ionizált levegő izzó tartománya egy rakétahajtómű kékes-lila lángjához hasonlított.
A közelmúltban online is elérhetővé vált a teljes fekete-fehér képkészlet, amely Lichtenberg figurákat is tartalmaz átlátszó műanyag blokkban.