Lichtenbergove figure: zgodovina, fizični princip udarca
Lichtenbergove figure se imenujejo razvejani drevesni vzorci, pridobljeni s prehajanjem visokonapetostnih električnih razelektritev na površini ali v notranjosti mase dielektričnih materialov.
Lichtenbergove prve figure so dvodimenzionalne, so figure, oblikovane iz prahu. Prvič jih je leta 1777 opazil nemški fizik - prof Georg Christoph Lichtenberg… Prah v zraku, ki se je usedel na površine električno nabitih smolnih plošč v njegovem laboratoriju, je ustvaril te nenavadne vzorce.
Profesor je ta pojav demonstriral svojim študentom fizike, o tem odkritju je govoril tudi v svojih spominih. Lichtenberg je o tem pisal kot o novi metodi preučevanja narave in gibanja električne tekočine.
Nekaj podobnega lahko preberemo v Lichtenbergovih spominih. »Ti vzorci se ne razlikujejo zelo od vzorca za graviranje. Včasih se pojavi skoraj nešteto zvezd, Rimska cesta in velika sonca. Na njihovi izbočeni strani so se svetile mavrice.
Nastale so svetleče vejice, podobne tistim, ki se vidijo, ko vlaga zmrzne na oknu. Oblaki različnih oblik in sence različnih globin. Največji vtis pa je bil zame ta, da teh številk ni bilo enostavno izbrisati, saj sem jih poskušal izbrisati na kateri koli od običajnih načinov.
Nisem mogel preprečiti, da bi oblike, ki sem jih pravkar izbrisal, spet zažarele, svetlejše. Na figure sem položil list črnega papirja, prevlečenega z viskoznim materialom, in ga rahlo pritisnil. Tako sem lahko naredil odtise figur, od katerih je bilo šest predstavljenih Kraljevi družbi.
Ta nova vrsta pridobivanja slik me je izjemno razveselila, saj sem se mudilo z drugimi stvarmi in nisem imela ne časa ne želje risati ali uničevati vse te risbe. «
V svojih poznejših poskusih je profesor Lichtenberg uporabil različne visokonapetostne elektrostatične naprave za nabijanje površin najrazličnejših dielektričnih materialov, kot so smola, steklo, ebonit ...
Nato je na nabite površine naprašil mešanico žvepla in svinčevega tetroksida. Žveplo (ki je zaradi trenja v posodi postalo negativno nabito) so bolj privlačile pozitivno nabite površine.
Podobno so s trenjem nabiti delci svinčevega tetroksida, ki imajo pozitiven naboj, pritegnili negativno nabite predele površine. Barvni prahovi so prej nevidnim območjem površinsko vezanih nabojev dali jasno vidno obliko in pokazali njihovo polarnost.
Tako je profesorju postalo jasno, da naelektrene odseke površine tvorijo majhne iskre. statična elektrika… Ko so iskre preletele površino dielektrika, so ločena področja njegove površine pustila električno nabite.
Po pojavu na površini dielektrika naboji tam ostanejo precej dolgo, saj sam dielektrik preprečuje njihovo gibanje in disperzijo. Poleg tega je Lichtenberg ugotovil, da so bili vzorci pozitivnih in negativnih vrednosti prahu bistveno drugačni.
Razelektritve, ki jih je proizvedla pozitivno nabita visokonapetostna žica, so bile zvezdaste oblike z dolgimi razvejanimi potmi, medtem ko so bile razelektritve negativne elektrode krajše, zaobljene, pahljačaste in školjkaste.
Lichtenberg je s skrbnim polaganjem listov papirja na prašne površine ugotovil, da lahko prenese slike na papir. Tako sta se sčasoma izoblikovala moderna postopka kserografije in laserskega tiska.Utemeljil je fiziko, ki se je iz Lichtenbergovih praškastih figur razvila v moderno znanost. o fiziki plazme.
Mnogi drugi fiziki, eksperimentatorji in umetniki so v naslednjih dvesto letih preučevali Lichtenbergove figure. Med pomembnimi raziskovalci 19. in 20. stoletja so bili tudi fiziki Gaston Plante in Peter T. Riess.
Ob koncu 19. stoletja francoski umetnik in znanstvenik Etienne Leopold Trouvaux ustvarili "Truvelo figure" — zdaj znan kot Lichtenbergove fotografske figure — uporaba Rumkorfova tuljava kot vir visoke napetosti.
Drugi raziskovalci so bili Thomas Burton Kinreid in profesorji Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen in Arthur von Hippel.
Večina sodobnih raziskovalcev in umetnikov je uporabila fotografski film za neposredno zajemanje šibke svetlobe, ki jo oddaja električne razelektritve.
Premožni angleški industrialec in raziskovalec visoke napetosti, Lord William G. Armstrong izdal dve odlični barvni knjigi, ki predstavljata nekatere njegove raziskave o visoki napetosti in Lichtenbergovih številkah.
Čeprav so te knjige zdaj precej majhne, je bil izvod Armstrongove prve knjige, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, na voljo s prijaznimi prizadevanji Geoffa Beharryja v Muzeju elektroterapije na prelomu stoletja.
Sredi dvajsetih let prejšnjega stoletja je von Hippel to odkril Lichtenbergove figure so pravzaprav rezultat zapletenih interakcij med koronskimi razelektritvami ali drobnimi električnimi iskrami, imenovanimi strimerji, in dielektrično površino spodaj.
Električne razelektritve nanesejo ustrezne "vzorce" električnega naboja na spodnjo dielektrično površino, kjer se začasno vežejo. Von Hippel je tudi ugotovil, da je povečanje uporabljene napetosti ali zmanjšanje tlaka okoliškega plina povzročilo povečanje dolžine in premera posameznih poti.
Peter Ries je ugotovil, da je premer pozitivne Lichtenbergove figure približno 2,8-krat večji od premera negativne številke, dobljene pri enaki napetosti.
Razmerja med velikostjo Lichtenbergovih številk kot funkcijo napetosti in polarnosti so bila uporabljena v zgodnjih visokonapetostnih merilnih in snemalnih instrumentih, kot je klidonograf, za merjenje najvišje napetosti in polarnosti visokonapetostnih impulzov.
Klidonograf, včasih imenovan "Lichtenbergova kamera", lahko fotografsko zajame velikost in obliko Lichtenbergovih figur, ki jih povzročajo nenormalni električni sunki. vzdolž daljnovodov zaradi strele.
Klidonografske meritve so raziskovalcem strele in načrtovalcem elektroenergetskih sistemov v 30. in 40. letih 20. stoletja omogočile natančno merjenje napetosti, ki jih povzroča strela, in tako zagotovile pomembne informacije o električnih značilnostih strele.
Te informacije so inženirjem energetike omogočile, da so v laboratoriju ustvarili "umetno strelo" s podobnimi lastnostmi, da so lahko testirali učinkovitost različnih pristopov k zaščiti pred strelo. Od takrat je zaščita pred strelo postala sestavni del zasnove vseh sodobnih prenosnih in distribucijskih sistemov.
Slika prikazuje primere klidonogramov pozitivnih in negativnih visokonapetostnih prehodov z različnimi amplitudami glede na polarnost. Opazite, kako so pozitivne Lichtenbergove številke večjega premera od negativnih številk, medtem ko so konične napetosti enake velikosti.
Novejša različica te naprave, teinograf, uporablja kombinacijo zakasnitvenih linij in več senzorjev, podobnih klidonografu, za zajemanje niza časovnih zamikov »posnetkov« prehodnega pojava, kar inženirjem omogoča zajemanje celotne prehodne valovne oblike z visoko napetostjo.
Čeprav jih je sčasoma nadomestila sodobna elektronska oprema, so se teinografi še naprej uporabljali v šestdesetih letih prejšnjega stoletja za preučevanje obnašanja strele in preklopnih prehodov na visokonapetostnih prenosnih vodih.
Zdaj je znano, da Lichtenbergove številke se pojavijo med električnim razpadom plinov, izolacijskih tekočin in trdnih dielektrikov. Lichtenbergove figure se lahko ustvarijo v nanosekundah, ko je na dielektrik uporabljena zelo visoka električna napetost, ali pa se razvijejo več let zaradi niza majhnih (nizkoenergijskih) okvar.
Neštete delne razelektritve na površini ali znotraj trdnih dielektrikov pogosto ustvarjajo počasi rastoče, delno prevodne 2D površinske Lichtenbergove figure ali notranja 3D električna drevesa.
2D električna drevesa pogosto najdemo na površini kontaminiranih izolatorjev daljnovodov. 3D drevesa lahko nastanejo tudi na območjih, ki so v izolatorjih skrita človeškemu pogledu zaradi prisotnosti majhnih nečistoč ali praznin, ali na mestih, kjer je izolator fizično poškodovan.
Ker lahko ta delno prevodna drevesa sčasoma povzročijo popolno električno odpoved izolatorja, je preprečevanje nastajanja in rasti takšnih "dreves" pri njihovih koreninah ključnega pomena za dolgoročno zanesljivost vse visokonapetostne opreme.
Lichtenbergove tridimenzionalne figure iz prozorne plastike sta v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja prva ustvarila fizika Arno Brasch in Fritz Lange. S svojim na novo odkritim pospeševalnikom elektronov so v plastične vzorce vbrizgali trilijone prostih elektronov, kar je povzročilo električni razpad in zoglenitev v obliki notranje Lichtenbergove figure.
Elektroni — majhni negativno nabiti delci, ki se vrtijo okoli pozitivno nabitih jeder atomov, ki sestavljajo vso kondenzirano snov. Brush in Lange sta uporabila visokonapetostne impulze iz Marxovega večmilijonskega generatorja, zasnovanega za pogon impulznega pospeševalnika elektronskega žarka.
Njihova kondenzatorska naprava lahko ustvari impulze treh milijonov voltov in je sposobna ustvariti močno razelektritev prostih elektronov z neverjetnimi vršnimi tokovi do 100.000 amperov.
Žareče območje visoko ioniziranega zraka, ki ga je ustvaril izhajajoči visokotokovni elektronski žarek, je bilo podobno modrovijoličastemu plamenu raketnega motorja.
Celoten nabor črno-belih slik, vključno z Lichtenbergovimi figurami v prozornem plastičnem bloku, je pred kratkim na voljo na spletu.