Lichtenbergo figūros: istorija, fizikinis poveikio principas
Lichtenbergo figūros vadinamos šakotais, į medį panašiais raštais, gautais aukštos įtampos elektros iškrovas leidžiant ant didžiosios dalies dielektrinių medžiagų paviršiaus arba viduje.
Pirmosios Lichtenbergo figūros yra dvimatės, tai iš dulkių suformuotos figūros. Pirmą kartą juos 1777 metais pastebėjo vokiečių fizikas – profesorius Georgas Kristofas Lichtenbergas... Oro dulkės, kurios nusėdo ant elektriškai įkrautų dervos plokščių jo laboratorijoje paviršių, sukūrė šiuos neįprastus raštus.
Šį reiškinį profesorius demonstravo savo fizikos studentams, apie šį atradimą kalbėjo ir atsiminimuose. Lichtenbergas apie tai rašė kaip apie naują metodą tirti elektrinio skysčio prigimtį ir judėjimą.
Kažką panašaus galima perskaityti ir Lichtenbergo atsiminimuose. „Šie raštai nelabai skiriasi nuo graviruoto rašto. Kartais pasirodo beveik nesuskaičiuojama daugybė žvaigždžių, Paukščių Takas ir didžiosios saulės. Išgaubtoje jų pusėje spindėjo vaivorykštės.
Rezultatas buvo blizgios šakelės, panašios į tas, kurias galima pamatyti, kai ant lango užšąla drėgmė. Įvairių formų debesys ir skirtingo gylio šešėliai. Tačiau didžiausią įspūdį man paliko tai, kad šiuos skaičius nebuvo lengva ištrinti, nes bandžiau juos ištrinti bet kokiu įprastu būdu.
Negalėjau sulaikyti, kad ką tik ištrintos formos vėl spindėtų, ryškėtų. Ant figūrėlių uždėjau klampia medžiaga padengtą juodo popieriaus lapą ir lengvai paspaudžiau. Taip galėjau atspausdinti figūras, iš kurių šešios buvo pristatytos Karališkajai draugijai.
Šis naujo tipo vaizdų įsigijimas mane nepaprastai nudžiugino, nes skubėjau daryti kitus darbus ir neturėjau nei laiko, nei noro piešti ar naikinti visus šiuos piešinius. «
Vėlesniuose eksperimentuose profesorius Lichtenbergas naudojo įvairius aukštos įtampos elektrostatinius prietaisus, kad įkrautų įvairiausių dielektrinių medžiagų, tokių kaip derva, stiklas, ebonitas...
Tada jis apipurškė įkrautus paviršius sieros ir švino tetroksido mišiniu. Sierą (kuri tapo neigiamai įkrauta dėl trinties talpykloje) labiau traukė teigiamai įkrauti paviršiai.
Taip pat trinties krūvio švino tetroksido dalelės, turinčios teigiamą krūvį, buvo pritrauktos į neigiamai įkrautas paviršiaus sritis. Spalvoti milteliai anksčiau nematomoms su paviršiumi susietų krūvių sritims suteikė aiškiai matomą formą ir parodė jų poliškumą.
Taip profesoriui tapo aišku, kad įkrautas paviršiaus atkarpas formuoja mažos kibirkštys. statinė elektra… Kibirkštys, blykstelėjusios per dielektriko paviršių, paliko atskiras jo paviršiaus sritis elektra įkrautas.
Pasirodžius dielektriko paviršiuje, krūviai ten išlieka gana ilgai, nes pats dielektrikas neleidžia jiems judėti ir sklaidytis. Be to, Lichtenbergas nustatė, kad teigiamų ir neigiamų dulkių verčių modeliai labai skiriasi.
Teigiamai įkrauto aukštos įtampos laido iškrovos buvo žvaigždės formos su ilgais šakojimosi takais, o neigiamo elektrodo iškrovos buvo trumpesnės, suapvalintos, ventiliatoriaus formos ir panašios į apvalkalą.
Atsargiai padėdamas popieriaus lapus ant dulkėtų paviršių, Lichtenbergas atrado, kad gali perkelti vaizdus ant popieriaus. Taip ilgainiui susiformavo šiuolaikiniai kserografijos ir lazerinio spausdinimo procesai.Jis įkūrė fiziką, kuri iš Lichtenbergo miltelinių figūrų išsivystė į šiuolaikinį mokslą. apie plazmos fiziką.
Daugelis kitų fizikų, eksperimentatorių ir menininkų tyrė Lichtenbergo figūras per ateinančius du šimtus metų. Tarp žymių XIX ir XX amžių tyrinėtojų buvo ir fizikai Gastonas Plante ir Peteris T. Riessas.
XIX amžiaus pabaigoje prancūzų menininkas ir mokslininkas Etjenas Leopoldas Trouvaux sukurtas „Truvelo figūros“ – dabar žinomas kaip Lichtenbergo fotografinės figūros - naudojant Rumkorf ritė kaip aukštos įtampos šaltinis.
Kiti tyrinėtojai buvo Thomas Burtonas Kinreidas ir profesoriai Carlas Edwardas Magnussonas, Maximilianas Topleris, P.O. Pedersenas ir Arthuras von Hippelis.
Dauguma šiuolaikinių tyrinėtojų ir menininkų naudojo fotografines juostas, kad tiesiogiai užfiksuotų silpną šviesą elektros iškrovos.
Turtingas anglų pramonininkas ir aukštos įtampos tyrinėtojas, Lordas Williamas G. Armstrongas išleido dvi puikias spalvotas knygas, kuriose pristatomi kai kurie jo aukštosios įtampos ir Lichtenbergo figūrų tyrimai.
Nors šios knygos dabar yra gana mažos, pirmosios Armstrongo knygos „Elektros judėjimas ore ir vandenyje su teoriniais išskaičiavimais“ egzempliorius buvo išleistas Geoffo Beharry pastangomis Elektroterapijos muziejuje amžių sandūroje.
Dešimtojo dešimtmečio viduryje von Hippelis tai atrado Lichtenbergo figūros iš tikrųjų yra sudėtingos vainikinių iškrovų arba mažų elektrinių kibirkščių, vadinamų srovelėmis, ir apačioje esančio dielektrinio paviršiaus sąveikos rezultatas.
Elektros iškrovos atitinkamus elektros krūvio „modelius“ taiko žemiau esančiam dielektriniam paviršiui, kur jie laikinai susijungia. Von Hippelis taip pat nustatė, kad padidinus taikomą įtampą arba sumažinus aplinkinių dujų slėgį, padidėjo atskirų takų ilgis ir skersmuo.
Peteris Riesas nustatė, kad teigiamos Lichtenbergo figūros skersmuo buvo maždaug 2,8 karto didesnis už neigiamos figūros skersmenį, gautą esant tokiai pačiai įtampai.
Ryšiai tarp Lichtenbergo figūrų dydžio kaip įtampos ir poliškumo funkcijos buvo naudojami ankstyvuosiuose aukštos įtampos matavimo ir registravimo prietaisuose, tokiuose kaip klidonografas, siekiant išmatuoti tiek didžiausią įtampą, tiek aukštos įtampos impulsų poliškumą.
Klidonografas, kartais vadinamas „Lichtenbergo fotoaparatu“, gali fotografuoti Lichtenbergo figūrų dydį ir formą, atsiradusią dėl anomalių elektros viršįtampių. palei elektros linijas dėl žaibo varžtai.
Klidonografiniai matavimai leido žaibo tyrinėtojams ir elektros sistemų projektuotojams XX amžiaus trečiajame ir ketvirtajame dešimtmetyje tiksliai išmatuoti žaibo sukeltą įtampą ir taip suteikti svarbios informacijos apie žaibo elektrines charakteristikas.
Ši informacija leido energetikos inžinieriams laboratorijoje sukurti panašių savybių „dirbtinį žaibą“, kad jie galėtų išbandyti skirtingų apsaugos nuo žaibo metodų efektyvumą. Nuo tada apsauga nuo žaibo tapo neatsiejama visų šiuolaikinių perdavimo ir paskirstymo sistemų dizaino dalimi.
Paveiksle pateikti teigiamų ir neigiamų aukštos įtampos pereinamųjų procesų klidonogramų pavyzdžiai, kurių amplitudė priklauso nuo poliškumo. Atkreipkite dėmesį, kaip teigiamos Lichtenbergo figūros yra didesnio skersmens nei neigiamos, o didžiausios įtampos yra tokio paties dydžio.
Naujesnė šio įrenginio versija, teinografas, naudoja delsos linijų ir kelių klidonografo tipo jutiklių derinį, kad užfiksuotų trumpalaikių trumpalaikių įvykių „momentinių kadrų“ seriją, leidžiančią inžinieriams užfiksuoti bendrą trumpalaikę bangos formą naudojant aukštą įtampą.
Nors galiausiai juos pakeitė moderni elektroninė įranga, inografai ir toliau buvo naudojami septintajame dešimtmetyje, siekiant ištirti žaibo ir perjungimo pereinamuosius veiksnius aukštos įtampos perdavimo linijose.
Dabar jau žinoma, kad Lichtenbergo figūros atsiranda elektrinio dujų, izoliacinių skysčių ir kietųjų dielektrikų suskaidymo metu. Lichtenbergo figūros gali būti sukurtos per nanosekundes, kai dielektrikui taikoma labai aukšta elektros įtampa, arba jos gali išsivystyti kelerius metus dėl nedidelių (mažos energijos) gedimų.
Daugybė dalinių iškrovų paviršiuje arba kietuose dielektrikuose dažnai sukuria lėtai augančias, iš dalies laidžias 2D paviršiaus Lichtenbergo figūras arba vidinius 3D elektros medžius.
2D elektros medžiai dažnai aptinkami ant užterštų elektros linijų izoliatorių paviršiaus. 3D medžiai taip pat gali susidaryti nuo žmogaus regėjimo pasislėpusiose vietose izoliatoriuose dėl nedidelių nešvarumų ar tuštumų, arba vietose, kur izoliatorius yra fiziškai pažeistas.
Kadangi šie iš dalies laidūs medžiai ilgainiui gali sukelti visišką izoliatoriaus elektros gedimą, norint užtikrinti ilgalaikį visos aukštos įtampos įrangos patikimumą, būtina užkirsti kelią tokių „medžių“ susidarymui ir augimui prie jų šaknų.
Lichtenbergo erdvines skaidraus plastiko figūras 1940-ųjų pabaigoje pirmą kartą sukūrė fizikai Arno Braschas ir Fritzas Lange'as. Naudodami savo naujai atrastą elektronų greitintuvą, jie įpurškė trilijonus laisvųjų elektronų į plastikinius pavyzdžius, sukeldami elektros gedimą ir vidinės Lichtenbergo figūros formos apanglėjimą.
Elektronai — mažos neigiamo krūvio dalelės, kurios sukasi aplink teigiamai įkrautus atomų branduolius, sudarančius visą kondensuotą medžiagą. Brush ir Lange naudojo aukštos įtampos impulsus iš Marxo kelių milijonų dolerių generatoriaus, skirto impulsiniam elektronų pluošto greitintuvui valdyti.
Jų kondensatorius gali generuoti trijų milijonų voltų impulsus ir gali sukurti galingą laisvųjų elektronų iškrovą neįtikėtinomis didžiausiomis srovėmis iki 100 000 amperų.
Švytinti labai jonizuoto oro sritis, kurią sukuria išeinantis didelės srovės elektronų pluoštas, priminė melsvai violetinę raketos variklio liepsną.
Visas juodai baltų vaizdų rinkinys, įskaitant Lichtenbergo figūrėles skaidraus plastiko bloke, neseniai pasirodė internete.