Lichtenbergovy figury: historie, fyzikální princip dopadu

Lichtenbergovy obrazce se nazývají rozvětvené, stromovité obrazce získané průchodem vysokonapěťových elektrických výbojů na povrchu nebo uvnitř objemu dielektrických materiálů.

První Lichtenbergovy figury jsou dvourozměrné, jsou to figury vytvořené z prachu. Poprvé je pozoroval v roce 1777 německý fyzik - profesor Georg Christoph Lichtenberg… Vzdušný prach, který se usadil na povrchu elektricky nabitých pryskyřičných desek v jeho laboratoři, vytvořil tyto neobvyklé vzory.

Profesor tento jev demonstroval svým studentům fyziky, o tomto objevu hovořil i ve svých pamětech. Lichtenberg o tom psal jako o nové metodě studia povahy a pohybu elektrické tekutiny.

Něco podobného se lze dočíst v Lichtenbergových pamětech. „Tyto vzory se příliš neliší od vzoru rytí. Někdy se objeví téměř nespočet hvězd, Mléčná dráha a velká slunce. Na jejich konvexní straně zářily duhy.

Výsledkem byly lesklé větvičky podobné těm, které lze vidět, když vlhkost namrzne na okně. Mraky různých tvarů a stíny různých hloubek. Největším dojmem pro mě ale bylo, že tato čísla nebylo snadné vymazat, protože jsem se je snažil vymazat některou z obvyklých metod.

Nemohl jsem zabránit tomu, aby tvary, které jsem právě vymazal, znovu zářily, jasněji. Na figurky jsem položil list černého papíru potažený viskózním materiálem a lehce přitlačil. Mohl jsem tak vytvořit otisky postav, z nichž šest bylo předloženo Královské společnosti.

Tento nový typ pořizování snímků mě nesmírně potěšil, protože jsem spěchal dělat jiné věci a neměl jsem čas ani chuť všechny tyto kresby kreslit nebo ničit. «

Ve svých následných experimentech profesor Lichtenberg používal různá vysokonapěťová elektrostatická zařízení k nabíjení povrchů široké škály dielektrických materiálů, jako je pryskyřice, sklo, ebonit...

Nabité povrchy pak poprášil směsí síry a oxidu olovnatého. Síra (která se třením v nádobě nabila záporně) byla více přitahována ke kladně nabitým povrchům.

Podobně byly třením nabité částice oxidu olovnatého, které mají kladný náboj, přitahovány k záporně nabitým oblastem povrchu. Barevné prášky daly dříve neviditelným oblastem povrchově vázaných nábojů jasně viditelný tvar a ukázaly jejich polaritu.

Tak bylo profesorovi jasné, že nabité části povrchu byly tvořeny malými jiskrami. statická elektřina… Jiskry, jak probleskovaly povrchem dielektrika, zanechaly oddělené oblasti jeho povrchu elektricky nabité.

Poté, co se objeví na povrchu dielektrika, náboje tam zůstávají poměrně dlouhou dobu, protože samotné dielektrikum brání jejich pohybu a rozptylu. Kromě toho Lichtenberg zjistil, že vzorce pozitivních a negativních hodnot prachu byly výrazně odlišné.

Výboje produkované kladně nabitým vysokonapěťovým drátem byly hvězdicového tvaru s dlouhými větvenými cestami, zatímco výboje ze záporné elektrody byly kratší, zaoblené, vějířovité a lasturovité.

Opatrným pokládáním listů papíru na zaprášené povrchy Lichtenberg zjistil, že dokáže přenést obrázky na papír. Tak se nakonec zformovaly moderní procesy xerografie a laserového tisku.Založil fyziku, která se z Lichtenbergových práškových figurek vyvinula v moderní vědu. o fyzice plazmatu.

Během následujících dvou set let studovalo Lichtenbergovy postavy mnoho dalších fyziků, experimentátorů a umělců. Významní badatelé 19. a 20. století zahrnovali fyziky Gaston Plante a Peter T. Riess.

Na konci 19. století francouzský umělec a vědec Etienne Leopold Trouvaux vytvořené "Postavy Truvelo" — nyní známý jako Lichtenbergovy fotografické postavy - použitím Rumkorfova cívka jako zdroj vysokého napětí.

Dalšími výzkumníky byli Thomas Burton Kinreid a profesoři Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen a Arthur von Hippel.

Většina moderních výzkumníků a umělců používá fotografický film k přímému zachycení slabého světla, které vyzařuje elektrické výboje.

Bohatý anglický průmyslník a výzkumník vysokého napětí, Lord William G. Armstrong vydal dvě vynikající celobarevné knihy, které představují některé z jeho výzkumů o vysokém napětí a Lichtenbergových figurách.

Ačkoli jsou tyto knihy nyní poměrně malé, kopie první Armstrongovy knihy, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, byla zpřístupněna díky laskavému úsilí Geoffa Beharryho v Muzeu elektroterapie na přelomu století.

V polovině 20. let to zjistil von Hippel Lichtenbergovy obrazce jsou ve skutečnosti výsledkem komplexních interakcí mezi korónovými výboji nebo malými elektrickými jiskrami nazývanými streamery a dielektrickým povrchem pod nimi.

Elektrické výboje aplikují odpovídající "vzorce" elektrického náboje na dielektrický povrch pod ním, kde se dočasně spojí. Von Hippel také zjistil, že zvýšení aplikovaného napětí nebo snížení tlaku okolního plynu vedlo ke zvětšení délky a průměru jednotlivých drah.

Peter Ries zjistil, že průměr kladného Lichtenbergova obrazce byl asi 2,8krát větší než průměr záporného obrazce získaného při stejném napětí.

Vztahy mezi velikostí Lichtenbergových obrazců jako funkce napětí a polarity byly použity v raných vysokonapěťových měřicích a záznamových přístrojích, jako je klidonograf, k měření jak špičkového napětí, tak polarity vysokonapěťových pulzů.

Klidonograf, někdy nazývaný „Lichtenbergova kamera“, dokáže fotograficky zachytit velikost a tvar Lichtenbergových postav způsobených anomálními elektrickými rázy. podél elektrického vedení kvůli blesky.

Klidonografická měření umožnila ve 30. a 40. letech 20. století vědcům zabývajícím se bleskem a konstruktérům energetických systémů přesně měřit napětí indukovaná bleskem, a tím poskytnout důležité informace o elektrických charakteristikách blesku.

Tyto informace umožnily energetikům vytvořit „umělý blesk“ s podobnými vlastnostmi v laboratoři, aby mohli testovat účinnost různých přístupů k ochraně před bleskem. Od té doby se ochrana před bleskem stala nedílnou součástí návrhu všech moderních přenosových a distribučních soustav.

Obrázek ukazuje příklady klikonogramů kladných a záporných vysokonapěťových přechodových jevů s různými amplitudami v závislosti na polaritě. Všimněte si, že kladná Lichtenbergova čísla mají větší průměr než záporná čísla, zatímco špičková napětí mají stejnou velikost.

Novější verze tohoto zařízení, theinograf, používá kombinaci zpožďovacích linek a více senzorů podobných clidonografu k zachycení série časosběrných "snímků" přechodového jevu, což umožňuje inženýrům zachytit celkový přechodový průběh s vysokým napětím.

I když byly nakonec nahrazeny moderním elektronickým zařízením, theinografy byly nadále používány až do 60. let 20. století ke studiu chování blesků a spínacích přechodových jevů na vysokonapěťových přenosových vedeních.

Nyní je to známo Lichtenbergovy údaje se vyskytují při elektrickém průrazu plynů, izolačních kapalin a pevných dielektrik. Lichtenbergovy obrazce mohou být vytvořeny v nanosekundách, když je na dielektrikum aplikováno velmi vysoké elektrické napětí, nebo se mohou vyvíjet během několika let kvůli sérii malých (nízkoenergetických) poruch.

Bezpočet částečných výbojů na povrchu nebo v pevných dielektrikách často vytváří pomalu rostoucí, částečně vodivé 2D povrchové Lichtenbergovy obrazce nebo vnitřní 3D elektrické stromy.

2D elektrické stromy se často nacházejí na povrchu kontaminovaných izolátorů elektrického vedení. 3D stromy se také mohou tvořit v oblastech skrytých lidskému zraku v izolátorech kvůli přítomnosti malých nečistot nebo dutin nebo v místech, kde je izolátor fyzicky poškozen.

Vzhledem k tomu, že tyto částečně vodivé stromy mohou nakonec způsobit úplné elektrické selhání izolátoru, je prevence vzniku a růstu takových "stromů" u jejich kořenů zásadní pro dlouhodobou spolehlivost všech vysokonapěťových zařízení.

Lichtenbergovy trojrozměrné postavy z čirého plastu poprvé vytvořili fyzici Arno Brasch a Fritz Lange koncem 40. let 20. století. Pomocí svého nově objeveného elektronového urychlovače vstříkli do plastových vzorků biliony volných elektronů, což způsobilo elektrické rozbití a zuhelnatění ve tvaru vnitřní Lichtenbergovy postavy.

Elektrony — malé záporně nabité částice, které se točí kolem kladně nabitých jader atomů, které tvoří veškerou kondenzovanou hmotu. Brush a Lange použili vysokonapěťové pulsy z Marxova multimilionového generátoru určeného k pohonu pulzního urychlovače elektronového paprsku.

Jejich kondenzátorové zařízení může generovat pulsy tří milionů voltů a je schopno vytvořit silný výboj volných elektronů s neuvěřitelnými špičkovými proudy až 100 000 ampérů.

Zářící oblast vysoce ionizovaného vzduchu vytvořená vycházejícím vysokoproudým elektronovým paprskem připomínala modrofialový plamen raketového motoru.

Kompletní sada černobílých obrázků, včetně Lichtenbergových figurek v průhledném plastovém bloku, byla nedávno k dispozici online.