Lichtenberg-figurer: historie, fysisk innvirkningsprinsipp
Lichtenberg-figurer kalles forgrenede, trelignende mønstre oppnådd ved å føre høyspente elektriske utladninger på overflaten eller inne i hoveddelen av dielektriske materialer.
Lichtenbergs første figurer er todimensjonale, de er figurer formet av støv. For første gang ble de observert i 1777 av en tysk fysiker - professor Georg Christoph Lichtenberg… Luftbåren støv som satte seg på overflatene til elektrisk ladede harpiksplater i laboratoriet hans skapte disse uvanlige mønstrene.
Professoren demonstrerte dette fenomenet for fysikkstudentene sine, han snakket også om denne oppdagelsen i memoarene sine. Lichtenberg skrev om dette som en ny metode for å studere naturen og bevegelsen til en elektrisk væske.
Noe lignende kan leses i Lichtenbergs memoarer. "Disse mønstrene er ikke veldig forskjellige fra graveringsmønsteret. Noen ganger dukker det opp nesten utallige stjerner, Melkeveien og de store solene. Regnbuer lyste på sin konvekse side.
Resultatet ble blanke kvister som ligner på de man kan se når fukt fryser på et vindu. Skyer av forskjellige former og skygger av forskjellige dybder. Men det største inntrykket for meg var at disse tallene ikke var enkle å slette fordi jeg prøvde å slette dem på noen av de vanlige metodene.
Jeg kunne ikke stoppe formene jeg nettopp hadde slettet fra å gløde igjen, lysere. Jeg la et ark med svart papir belagt med tyktflytende materiale på figurene og presset det lett. Jeg var dermed i stand til å lage trykk av figurer, hvorav seks ble presentert for Royal Society.
Denne nye typen bildeinnhenting gjorde meg ekstremt glad fordi jeg hadde det travelt med å gjøre andre ting og verken hadde tid eller lyst til å tegne eller ødelegge alle disse tegningene. «
I sine påfølgende eksperimenter brukte professor Lichtenberg forskjellige elektrostatiske høyspenningsenheter for å lade overflatene til et bredt utvalg av dielektriske materialer som harpiks, glass, ebonitt ...
Han støvet deretter en blanding av svovel og blytetroksid på de ladede overflatene. Svovelet (som ble negativt ladet ved friksjon i beholderen) ble mer tiltrukket av de positivt ladede overflatene.
På samme måte ble friksjonsladede blytetroksidpartikler som har en positiv ladning tiltrukket av negativt ladede områder av overflaten. De fargede pulverene ga de tidligere usynlige områdene av overflatebundne ladninger en tydelig synlig form og viste deres polaritet.
Dermed ble det klart for professoren at de ladede delene av overflaten ble dannet av små gnister. statisk elektrisitet… Gnistene, da de blinket over overflaten av dielektrikumet, etterlot separate områder av overflaten elektrisk ladet.
Etter å ha vist seg på overflaten av dielektrikumet, forblir ladningene der i ganske lang tid, siden dielektrikumet i seg selv forhindrer deres bevegelse og spredning. I tillegg fant Lichtenberg at mønstrene for positive og negative støvverdier var betydelig forskjellige.
Utladningene som ble produsert av den positivt ladede høyspenttråden var stjerneformet med lange forgreningsbaner, mens utladningene fra den negative elektroden var kortere, avrundet, vifteformet og skalllignende.
Ved å forsiktig legge papirark på de støvete overflatene, oppdaget Lichtenberg at han kunne overføre bilder til papir. Dermed ble de moderne prosessene med xerografi og lasertrykk til slutt dannet.Han grunnla fysikken som utviklet seg fra Lichtenbergs pulverfigurer til moderne vitenskap. om plasmafysikk.
Mange andre fysikere, eksperimenter og kunstnere studerte Lichtenbergs figurer i løpet av de neste to hundre årene. Bemerkelsesverdige forskere fra 1800- og 1900-tallet inkluderte fysikere Gaston Plante og Peter T. Riess.
På slutten av 1800-tallet, en fransk kunstner og vitenskapsmann Etienne Leopold Trouvaux opprettet «Truvelo figurer» - nå kjent som Lichtenberg fotografiske figurer - ved hjelp av Rumkorf coil som høyspenningskilde.
Andre forskere var Thomas Burton Kinreid og professorene Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen og Arthur von Hippel.
De fleste moderne forskere og kunstnere har brukt fotografisk film til direkte å fange det svake lyset som sendes ut av elektriske utladninger.
En velstående engelsk industrimann og høyspenningsforsker, Lord William G. Armstrong utgitt to utmerkede fullfargebøker som presenterer noe av hans forskning på høyspennings- og Lichtenberg-figurer.
Selv om disse bøkene nå er ganske små, ble en kopi av Armstrongs første bok, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, gjort tilgjengelig gjennom den vennlige innsatsen til Geoff Beharry ved Museum of Electrotherapy ved århundreskiftet.
På midten av 1920-tallet oppdaget von Hippel det Lichtenberg-figurer er faktisk et resultat av komplekse interaksjoner mellom koronautladninger, eller bittesmå elektriske gnister kalt streamere, og den dielektriske overflaten under.
De elektriske utladningene påfører tilsvarende "mønstre" av elektrisk ladning til den dielektriske overflaten under, hvor de binder seg midlertidig. Von Hippel fant også at å øke den påførte spenningen eller redusere trykket på den omgivende gassen førte til en økning i lengden og diameteren til de individuelle banene.
Peter Ries fant at diameteren til den positive Lichtenberg-figuren var omtrent 2,8 ganger diameteren til den negative figuren oppnådd ved samme spenning.
Forholdet mellom størrelsen på Lichtenberg-figurer som funksjon av spenning og polaritet ble brukt i tidlige høyspenningsmålinger og registreringsinstrumenter, for eksempel klidonografen, for å måle både toppspenningen og polariteten til høyspentpulser.
Klidonografen, noen ganger kalt "Lichtenberg-kameraet", kan fotografisk fange størrelsen og formen til Lichtenberg-figurer forårsaket av unormale elektriske overspenninger. langs kraftledninger på grunn av Lyn.
Klidonografiske målinger gjorde det mulig for lynforskere og kraftsystemdesignere på 1930- og 1940-tallet å måle lyninduserte spenninger nøyaktig, og dermed gi viktig informasjon om lynets elektriske egenskaper.
Denne informasjonen tillot kraftingeniører å lage "kunstig lyn" med lignende egenskaper i laboratoriet, slik at de kunne teste effektiviteten til forskjellige tilnærminger til lynbeskyttelse. Siden den gang har lynbeskyttelse blitt en integrert del av utformingen av alle moderne overførings- og distribusjonssystemer.
Figuren viser eksempler på klidonogrammer av positive og negative høyspenttransienter med forskjellige amplituder avhengig av polariteten. Legg merke til hvordan de positive Lichtenberg-figurene er større i diameter enn de negative tallene, mens toppspenningene er av samme størrelse.
En nyere versjon av denne enheten, teinografen, bruker en kombinasjon av forsinkelseslinjer og flere klidonograflignende sensorer for å fange en serie time-lapse "øyeblikksbilder" av en transient, slik at ingeniører kan fange opp den totale transiente bølgeformen med høyspenning.
Selv om de til slutt ble erstattet av moderne elektronisk utstyr, fortsatte teinografene å bli brukt inn på 1960-tallet for å studere oppførselen til lyn og svitsjetransienter på høyspentoverføringslinjer.
Det er nå kjent at Lichtenberg-tall oppstår under elektrisk sammenbrudd av gasser, isolerende væsker og faste dielektriske stoffer. Lichtenberg-tall kan lages på nanosekunder når en veldig høy elektrisk spenning påføres dielektrikumet, eller de kan utvikle seg over flere år på grunn av en rekke små (lavenergi) feil.
Utallige partielle utladninger på overflaten eller i fast dielektrikum skaper ofte saktevoksende, delvis ledende 2D-overflate-Lichtenberg-figurer eller interne 3D-elektriske trær.
2D elektriske trær er ofte funnet på overflaten av forurensede kraftledningsisolatorer. 3D-trær kan også dannes i områder skjult for menneskelig syn i isolatorer på grunn av tilstedeværelsen av små urenheter eller hulrom, eller på steder hvor isolatoren er fysisk skadet.
Siden disse delvis ledende trærne til slutt kan forårsake fullstendig elektrisk svikt i isolatoren, er det avgjørende å forhindre dannelse og vekst av slike "trær" ved røttene deres for den langsiktige påliteligheten til alt høyspentutstyr.
Lichtenbergs tredimensjonale figurer i klar plast ble først skapt av fysikerne Arno Brasch og Fritz Lange på slutten av 1940-tallet. Ved å bruke sin nyoppdagede elektronakselerator injiserte de billioner av frie elektroner i plastprøver, noe som forårsaket elektrisk sammenbrudd og forkulling i form av den indre Lichtenberg-figuren.
Elektroner — små negativt ladede partikler som kretser rundt de positivt ladede kjernene til atomer som utgjør alt kondensert stoff. Brush og Lange brukte høyspentpulser fra Marx sin multimillion-dollar generator designet for å drive en pulsert elektronstråleakselerator.
Kondensatorenheten deres kan generere pulser på tre millioner volt og er i stand til å skape en kraftig utladning av frie elektroner med utrolige toppstrømmer på opptil 100 000 ampere.
Det glødende området med høyt ionisert luft skapt av den utgående elektronstrålen med høy strøm lignet den blåfiolette flammen til en rakettmotor.
Det komplette settet med svart-hvitt-bilder, inkludert Lichtenberg-figurer i en klar plastblokk, har nylig blitt tilgjengelig online.