Фигури на Лихтенберг: история, физически принцип на въздействие
Фигурите на Лихтенберг се наричат разклонени, дървовидни модели, получени чрез преминаване на електрически разряди с високо напрежение на повърхността или вътре в по-голямата част от диелектрични материали.
Първите фигури на Лихтенберг са двуизмерни, те са фигури, образувани от прах. За първи път те са наблюдавани през 1777 г. от немски физик — професор Георг Кристоф Лихтенберг… Въздушен прах, който се утаи върху повърхностите на електрически заредените смолни плочи в неговата лаборатория, създаде тези необичайни модели.
Професорът демонстрира този феномен на своите студенти по физика, той също говори за това откритие в мемоарите си. Лихтенберг пише за това като нов метод за изучаване на природата и движението на електрическа течност.
В мемоарите на Лихтенберг може да се прочете нещо подобно. „Тези модели не се различават много от модела на гравиране. Понякога там се появяват почти безброй звезди, Млечния път и големите слънца. На изпъкналата им страна блестяха дъги.
Резултатът беше лъскави клонки, подобни на тези, които могат да се наблюдават, когато влагата замръзне върху прозореца. Облаци с различни форми и сенки с различна дълбочина. Но най -голямо впечатление за мен беше, че тези цифри не бяха лесни за изтриване, защото се опитах да ги изтрия по някой от обичайните методи.
Не можех да попреча на формите, които току -що бях изтрил, да светят отново, по -ярко. Сложих върху фигурите лист черна хартия, намазан с вискозен материал и го притиснах леко. По този начин успях да направя отпечатъци на фигури, шест от които бяха представени в Кралското общество.
Този нов тип придобиване на изображение ме направи изключително щастлив, защото бързах да правя други неща и нямах нито време, нито желание да нарисувам или унищожа всички тези рисунки. «
В следващите си експерименти професор Лихтенберг използва различни електростатични устройства с високо напрежение, за да зарежда повърхностите на голямо разнообразие от диелектрични материали като смола, стъкло, ебонит …
След това той поръси прах от смес от сяра и оловен тетроксид върху заредените повърхности. Сярата (която стана отрицателно заредена при триене в контейнера) беше по -привлечена от положително заредените повърхности.
По същия начин частиците от оловен тетроксид, заредени чрез триене, които имат положителен заряд, бяха привлечени към участъци от повърхността с отрицателен заряд. Оцветените прахове придадоха на невидимите по -рано области на повърхностно свързани заряди ясна видима форма и показаха тяхната полярност.
Така на професора стана ясно, че заредените участъци от повърхността са образувани от малки искри. статично електричество… Искрите, когато проблясваха по повърхността на диелектрика, оставиха отделни участъци от повърхността му електрически заредени.
След появата на повърхността на диелектрика зарядите остават там доста дълго време, тъй като самият диелектрик предотвратява тяхното движение и разпръскване. В допълнение, Лихтенберг установи, че моделите на положителни и отрицателни стойности на прах са значително различни.
Разрядите, произведени от положително заредения проводник с високо напрежение, бяха със звездна форма с дълги пътища на разклоняване, докато разрядите от отрицателния електрод бяха по-къси, закръглени, с форма на вентилатор и подобни на черупки.
Чрез внимателно поставяне на листове хартия върху прашните повърхности, Лихтенберг откри, че може да прехвърля изображения върху хартия. Така в крайна сметка се формират съвременните процеси на ксерография и лазерен печат.Той основава физиката, която еволюира от праховите фигури на Лихтенберг в съвременната наука. за физиката на плазмата.
Много други физици, експериментатори и художници изучават фигурите на Лихтенберг през следващите двеста години. Известни изследователи от 19 и 20 век включват физици Гастон Планте и Питър Т. Риес.
В края на 19 век френски художник и учен Етиен Леополд Труво създаден «Фигури на Truvelo» — сега известен като фотографски фигури на Лихтенберг — използвайки Намотка Румкорф като източник на високо напрежение.
Други изследователи бяха Томас Бъртън Кинрейд и професорите Карл Едуард Магнусон, Максимилиан Топлер, П.О. Педерсен и Артър фон Хипел.
Повечето съвременни изследователи и художници са използвали фотографски филм за директно улавяне на слабата светлина, излъчвана от електрически разряди.
Богат английски индустриалец и изследовател на високо напрежение, лорд Уилям Г. Армстронг публикува две отлични пълноцветни книги, които представят някои от неговите изследвания за високо напрежение и фигурите на Лихтенберг.
Въпреки че сега тези книги са доста малки, копие от първата книга на Армстронг, Електрическо движение във въздуха и водата с теоретични изводи, беше предоставено благодарение на любезните усилия на Джеф Бехари в Музея на електротерапията в началото на века.
В средата на 20-те години фон Хипел открива това Цифрите на Лихтенберг всъщност са резултат от сложни взаимодействия между коронарните разряди или малки електрически искри, наречени стримери, и диелектричната повърхност отдолу.
Електрическите разряди прилагат съответните «модели» на електрически заряд към диелектричната повърхност отдолу, където временно се свързват. Фон Хипел също така установява, че увеличаването на приложеното напрежение или намаляването на налягането на околния газ води до увеличаване на дължината и диаметъра на отделните пътеки.
Питър Риес установи, че диаметърът на положителната цифра на Лихтенберг е около 2,8 пъти диаметъра на отрицателната фигура, получена при същото напрежение.
Връзките между размера на фигурите на Лихтенберг в зависимост от напрежението и полярността бяха използвани в ранните инструменти за измерване и запис на високо напрежение, като клидонографа, за измерване както на пиковото напрежение, така и на полярността на импулсите на високо напрежение.
Клидонографът, понякога наричан „камерата на Лихтенберг“, може фотографски да улови размера и формата на фигурите на Лихтенберг, причинени от аномални електрически скокове. по електропроводи поради светкавици.
Клидонографските измервания позволиха на изследователите на мълнии и дизайнерите на електроенергийни системи през 30-те и 40-те години на миналия век да измерват точно напреженията, предизвикани от мълнии, като по този начин предоставят важна информация за електрическите характеристики на мълниите.
Тази информация позволи на енергийните инженери да създадат «изкуствена мълния» със сходни характеристики в лабораторията, така че да могат да тестват ефективността на различните подходи към мълниезащитата. Оттогава мълниезащитата се превърна в неразделна част от дизайна на всички съвременни системи за пренос и разпределение.
Фигурата показва примери за клидонограми на положителни и отрицателни преходни процеси на високо напрежение с различни амплитуди в зависимост от полярността. Забележете как положителните цифри на Лихтенберг са с по -голям диаметър в сравнение с отрицателните цифри, докато пиковите напрежения са със същата величина.
По-новата версия на това устройство, теинографът, използва комбинация от линии на закъснение и множество сензори, подобни на клидонограф, за да заснеме поредица от времеви „снимки“ на даден преходен процес, което позволява на инженерите да уловят цялостната форма на преходна вълна с високо напрежение.
Въпреки че в крайна сметка те бяха заменени от модерно електронно оборудване, теинографите продължиха да се използват през 60 -те години на миналия век за изследване на поведението на мълния и превключващи преходни процеси по преносни линии с високо напрежение.
Сега е известно, че Цифрите на Лихтенберг възникват по време на електрическо разбиване на газове, изолационни течности и твърди диелектрици. Цифрите на Лихтенберг могат да бъдат създадени за наносекунди, когато към диелектрика е приложено много високо електрическо напрежение, или те могат да се развият в продължение на няколко години поради поредица от малки (ниско енергийни) повреди.
Безброй частични разряди на повърхността или в рамките на твърди диелектрици често създават бавно растящи, частично проводими 2D повърхностни фигури на Лихтенберг или вътрешни 3D електрически дървета.
2D електрически дървета често се срещат на повърхността на замърсени изолатори на електропроводи. 3D дървета също могат да се образуват в зони, скрити от човешкото зрение в изолаторите поради наличието на малки примеси или кухини, или на места, където изолаторът е физически повреден.
Тъй като тези частично проводящи дървета в крайна сметка могат да причинят пълна електрическа повреда на изолатора, предотвратяването на образуването и растежа на такива „дървета“ в корените им е от решаващо значение за дългосрочната надеждност на цялото оборудване с високо напрежение.
Триизмерните фигури на Лихтенберг в прозрачна пластмаса са създадени за първи път от физиците Арно Браш и Фриц Ланге в края на 40-те години. Използвайки своя новооткрит ускорител на електрони, те инжектират трилиони свободни електрони в пластмасови проби, причинявайки електрически срив и овъгляване под формата на вътрешната фигура на Лихтенберг.
Електрони — малки отрицателно заредени частици, които се въртят около положително заредените ядра на атомите, които съставляват цялата кондензирана материя. Brush и Lange използваха импулси за високо напрежение от многомилионния генератор на Маркс, предназначен за управление на ускорител на импулсен електронен лъч.
Тяхното кондензаторно устройство може да генерира импулси от три милиона волта и е в състояние да създаде мощен разряд на свободни електрони с невероятни пикови токове до 100 000 ампера.
Сияещият район на силно йонизиран въздух, създаден от изходящия високотоков електронен лъч, приличаше на синкаво-виолетов пламък на ракетен двигател.
Пълният набор от черно -бели изображения, включително фигури на Лихтенберг в прозрачен пластмасов блок, наскоро стана достъпен в интернет.