Lichtenberg-figurer: historia, fysiska principen om påverkan
Lichtenberg-figurer kallas förgrenade, trädliknande mönster som erhålls genom att passera elektriska högspänningsurladdningar på ytan eller inuti huvuddelen av dielektriska material.
Lichtenbergs första figurer är tvådimensionella, de är figurer bildade av damm. För första gången observerades de 1777 av en tysk fysiker - professor Georg Christoph Lichtenberg... Luftburet damm som lade sig på ytorna av elektriskt laddade hartsplattor i hans laboratorium skapade dessa ovanliga mönster.
Professorn visade detta fenomen för sina fysikstudenter, han talade också om denna upptäckt i sina memoarer. Lichtenberg skrev om detta som en ny metod för att studera naturen och rörelsen hos en elektrisk vätska.
Något liknande kan man läsa i Lichtenbergs memoarer. ”Dessa mönster skiljer sig inte särskilt mycket från gravyrmönstret. Ibland dyker det upp nästan oräkneliga stjärnor, Vintergatan och de stora solarna. Regnbågar lyste på sin konvexa sida.
Resultatet blev blanka kvistar liknande de som kan ses när fukt fryser på ett fönster. Moln av olika former och skuggor av olika djup. Men det största intrycket för mig var att dessa siffror inte var lätta att radera eftersom jag försökte radera dem med någon av de vanliga metoderna.
Jag kunde inte stoppa formerna jag just hade raderat från att glöda igen, ljusare. Jag lade ett ark svart papper bestruket med trögflytande material på figurerna och tryckte lätt på det. Jag kunde alltså göra tryck av figurer, varav sex presenterades för Royal Society.
Den här nya typen av bildanskaffning gjorde mig oerhört glad eftersom jag hade bråttom att göra andra saker och varken hade tid eller lust att rita eller förstöra alla dessa teckningar. «
I sina efterföljande experiment använde professor Lichtenberg olika elektrostatiska högspänningsanordningar för att ladda ytorna på en mängd olika dielektriska material som harts, glas, ebonit...
Han dammade sedan en blandning av svavel och blytetroxid på de laddade ytorna. Svavlet (som blev negativt laddat av friktion i behållaren) attraherades mer av de positivt laddade ytorna.
På samma sätt attraherades friktionsladdade blytetroxidpartiklar som har en positiv laddning till negativt laddade områden på ytan. De färgade pulvren gav de tidigare osynliga områdena av ytbundna laddningar en tydlig synlig form och visade sin polaritet.
Därmed blev det klart för professorn att de laddade sektionerna av ytan bildades av små gnistor. statisk elektricitet… Gnistorna, när de blinkade över ytan av dielektrikumet, lämnade separata delar av dess yta elektriskt laddade.
Efter att ha dykt upp på ytan av dielektrikumet förblir laddningarna där under ganska lång tid, eftersom dielektriket i sig förhindrar deras rörelse och spridning. Dessutom fann Lichtenberg att mönstren för positiva och negativa dammvärden var signifikant olika.
Urladdningarna som producerades av den positivt laddade högspänningstråden var stjärnformade med långa förgreningsvägar, medan urladdningarna från den negativa elektroden var kortare, rundade, solfjäderformade och skalliknande.
Genom att försiktigt placera pappersark på de dammiga ytorna upptäckte Lichtenberg att han kunde överföra bilder till papper. Så småningom bildades de moderna processerna för xerografi och laserutskrift.Han grundade den fysik som utvecklades från Lichtenbergs krutfigurer till modern vetenskap. om plasmafysik.
Många andra fysiker, experimenterare och konstnärer studerade Lichtenbergs figurer under de kommande tvåhundra åren. Anmärkningsvärda forskare från 1800- och 1900-talen var fysiker Gaston Plante och Peter T. Riess.
I slutet av 1800-talet, en fransk konstnär och vetenskapsman Etienne Leopold Trouvaux skapat "Truvelo figurer" — nu känd som Lichtenberg fotografiska figurer - använder sig av Rumkorf spole som högspänningskälla.
Andra forskare var Thomas Burton Kinreid och professorerna Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen och Arthur von Hippel.
De flesta moderna forskare och konstnärer har använt fotografisk film för att direkt fånga det svaga ljuset som sänds ut av elektriska urladdningar.
En rik engelsk industriman och högspänningsforskare, Lord William G. Armstrong publicerade två utmärkta fullfärgsböcker som presenterar en del av hans forskning om högspännings- och Lichtenberg-figurer.
Även om dessa böcker nu är ganska små, gjordes en kopia av Armstrongs första bok, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, tillgänglig genom Geoff Beharrys vänliga insatser på Museum of Electrotherapy vid sekelskiftet.
I mitten av 1920-talet upptäckte von Hippel det Lichtenberg-figurer är faktiskt resultatet av komplexa interaktioner mellan koronaurladdningar, eller små elektriska gnistor som kallas streamers, och den dielektriska ytan nedanför.
De elektriska urladdningarna applicerar motsvarande "mönster" av elektrisk laddning till den dielektriska ytan nedanför, där de binder tillfälligt. Von Hippel fann också att ökning av den applicerade spänningen eller minskning av trycket på den omgivande gasen ledde till en ökning av längden och diametern på de enskilda banorna.
Peter Ries fann att diametern på den positiva Lichtenberg-figuren var cirka 2,8 gånger diametern på den negativa figuren som erhölls vid samma spänning.
Samband mellan storleken på Lichtenberg-figurer som en funktion av spänning och polaritet användes i tidiga högspänningsmätnings- och registreringsinstrument, såsom klidonografen, för att mäta både toppspänningen och polariteten hos högspänningspulser.
Klidonografen, ibland kallad "Lichtenberg-kameran", kan fotografiskt fånga storleken och formen på Lichtenberg-figurer orsakade av onormala elektriska överspänningar. längs kraftledningar på grund av blixtar.
Klidonografiska mätningar gjorde det möjligt för blixtforskare och kraftsystemdesigners på 1930- och 1940-talen att noggrant mäta blixtinducerade spänningar och därigenom ge viktig information om blixtens elektriska egenskaper.
Denna information gjorde det möjligt för kraftingenjörer att skapa "konstgjorda blixtar" med liknande egenskaper i laboratoriet så att de kunde testa effektiviteten hos olika metoder för åskskydd. Sedan dess har åskskydd blivit en integrerad del av designen av alla moderna transmissions- och distributionssystem.
Figuren visar exempel på klidonogram av positiva och negativa högspänningstransienter med olika amplituder beroende på polariteten. Lägg märke till hur de positiva Lichtenberg-siffrorna är större i diameter än de negativa siffrorna, medan toppspänningarna är av samma storlek.
En nyare version av den här enheten, theinograph, använder en kombination av fördröjningslinjer och flera klidonografliknande sensorer för att fånga en serie "snapshots" av en transient med tidsförlopp, vilket gör att ingenjörer kan fånga den övergripande transienta vågformen med hög spänning.
Även om de så småningom ersattes av modern elektronisk utrustning, fortsatte teinografer att användas in på 1960-talet för att studera beteendet hos blixtar och omkopplingstransienter på högspänningsledningar.
Det är nu känt Lichtenberg-siffror uppstår vid elektrisk nedbrytning av gaser, isolerande vätskor och fasta dielektrika. Lichtenberg-siffror kan skapas på nanosekunder när en mycket hög elektrisk spänning appliceras på dielektrikumet, eller så kan de utvecklas under flera år på grund av en serie små (lågenergi) fel.
Oräkneliga partiella urladdningar på ytan eller i fast dielektrikum skapar ofta långsamt växande, delvis ledande 2D-yt-Lichtenberg-figurer eller interna 3D-elektriska träd.
2D elektriska träd finns ofta på ytan av förorenade kraftledningsisolatorer. 3D-träd kan också bildas i områden som är dolda från människans syn i isolatorer på grund av förekomsten av små föroreningar eller tomrum, eller på platser där isolatorn är fysiskt skadad.
Eftersom dessa delvis ledande träd så småningom kan orsaka fullständigt elektriskt fel hos isolatorn, är förhindrande av bildning och tillväxt av sådana "träd" vid deras rötter avgörande för den långsiktiga tillförlitligheten hos all högspänningsutrustning.
Lichtenbergs tredimensionella figurer i klar plast skapades först av fysikerna Arno Brasch och Fritz Lange i slutet av 1940-talet. Med hjälp av sin nyupptäckta elektronaccelerator injicerade de biljoner fria elektroner i plastprover, vilket orsakade elektriskt sammanbrott och förkolning i form av den inre Lichtenberg-figuren.
Elektroner — små negativt laddade partiklar som kretsar kring de positivt laddade kärnorna av atomer som utgör all kondenserad materia. Brush och Lange använde högspänningspulser från Marx mångmiljondollargenerator designad för att driva en pulsad elektronstråleaccelerator.
Deras kondensatorenhet kan generera pulser på tre miljoner volt och kan skapa en kraftfull urladdning av fria elektroner med otroliga toppströmmar på upp till 100 000 ampere.
Det glödande området av starkt joniserad luft skapad av den utgående högströmselektronstrålen liknade den blåvioletta lågan från en raketmotor.
Den kompletta uppsättningen av svartvita bilder, inklusive Lichtenberg-figurer i ett genomskinligt plastblock, har nyligen blivit tillgängligt online.