Lichtenberg-figurer: historie, fysiske virkningsprincip
Lichtenberg-figurer kaldes forgrenede, trælignende mønstre opnået ved at sende elektriske højspændingsudladninger på overfladen eller inde i hovedparten af dielektriske materialer.
Lichtenbergs første figurer er todimensionelle, de er figurer dannet af støv. For første gang blev de observeret i 1777 af en tysk fysiker - professor Georg Christoph Lichtenberg... Luftbåret støv, der lagde sig på overfladerne af elektrisk ladede harpiksplader i hans laboratorium, skabte disse usædvanlige mønstre.
Professoren demonstrerede dette fænomen for sine fysikstuderende, han talte også om denne opdagelse i sine erindringer. Lichtenberg skrev om dette som en ny metode til at studere arten og bevægelsen af en elektrisk væske.
Noget lignende kan læses i Lichtenbergs erindringer. "Disse mønstre er ikke meget forskellige fra graveringsmønstret. Nogle gange dukker der næsten utallige stjerner op, Mælkevejen og de store sole. Regnbuer skinnede på deres konvekse side.
Resultatet blev skinnende kviste, der ligner dem, man kan se, når fugt fryser på et vindue. Skyer af forskellige former og skygger af forskellige dybder. Men det største indtryk for mig var, at disse tal ikke var nemme at slette, fordi jeg forsøgte at slette dem ved en af de sædvanlige metoder.
Jeg kunne ikke stoppe de former, jeg lige havde slettet, fra at gløde igen, lysere. Jeg lagde et ark sort papir belagt med tyktflydende materiale på figurerne og trykkede let på det. Jeg var således i stand til at lave print af figurer, hvoraf seks blev præsenteret for Royal Society.
Denne nye type billedopsamling gjorde mig enormt glad, fordi jeg havde travlt med at lave andre ting og hverken havde tid eller lyst til at tegne eller ødelægge alle disse tegninger. «
I sine efterfølgende eksperimenter brugte professor Lichtenberg forskellige elektrostatiske højspændingsenheder til at oplade overfladerne af en lang række dielektriske materialer såsom harpiks, glas, ebonit...
Han støvede derefter en blanding af svovl og blytetroxid på de ladede overflader. Svovlet (som blev negativt ladet ved friktion i beholderen) blev mere tiltrukket af de positivt ladede overflader.
Ligeledes blev friktionsladede blytetroxidpartikler, der har en positiv ladning, tiltrukket af negativt ladede områder af overfladen. De farvede pulvere gav de tidligere usynlige områder af overfladebundne ladninger en klar synlig form og viste deres polaritet.
Således blev det klart for professoren, at de ladede dele af overfladen var dannet af små gnister. statisk elektricitet… Gnisterne, da de blinkede hen over overfladen af dielektrikumet, efterlod separate områder af dets overflade elektrisk ladede.
Efter at have vist sig på overfladen af dielektrikumet forbliver ladningerne der i ret lang tid, da dielektrikumet selv forhindrer deres bevægelse og spredning. Derudover fandt Lichtenberg, at mønstrene for positive og negative støvværdier var signifikant forskellige.
Udladningerne produceret af den positivt ladede højspændingsledning var stjerneformede med lange forgreningsveje, mens udladningerne fra den negative elektrode var kortere, afrundede, vifteformede og skallignende.
Ved forsigtigt at placere ark papir på de støvede overflader opdagede Lichtenberg, at han kunne overføre billeder til papir. Således blev de moderne processer med xerografi og laserprint til sidst dannet.Han grundlagde den fysik, der udviklede sig fra Lichtenbergs krudtfigurer til moderne videnskab. om plasmafysik.
Mange andre fysikere, eksperimentatorer og kunstnere studerede Lichtenbergs figurer i løbet af de næste to hundrede år. Bemærkelsesværdige forskere fra det 19. og 20. århundrede omfattede fysikere Gaston Plante og Peter T. Riess.
I slutningen af det 19. århundrede, en fransk kunstner og videnskabsmand Etienne Leopold Trouvaux oprettet "Truvelo figurer" - nu kendt som Lichtenberg fotografiske figurer - ved brug af Rumkorf spole som højspændingskilde.
Andre forskere var Thomas Burton Kinreid og professorerne Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen og Arthur von Hippel.
De fleste moderne forskere og kunstnere har brugt fotografisk film til direkte at fange det svage lys, der udsendes af elektriske udladninger.
En velhavende engelsk industrimand og højspændingsforsker, Lord William G. Armstrong udgivet to fremragende fuldfarvebøger, der præsenterer noget af hans forskning om højspændings- og Lichtenberg-figurer.
Selvom disse bøger nu er ret små, blev en kopi af Armstrongs første bog, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, gjort tilgængelig gennem den venlige indsats fra Geoff Beharry på Museum of Electrotherapy ved århundredeskiftet.
I midten af 1920'erne opdagede von Hippel det Lichtenberg-figurer er faktisk resultatet af komplekse interaktioner mellem koronaudladninger eller små elektriske gnister kaldet streamere og den dielektriske overflade nedenfor.
De elektriske udladninger påfører tilsvarende "mønstre" af elektrisk ladning til den dielektriske overflade nedenfor, hvor de binder midlertidigt. Von Hippel fandt også ud af, at forøgelse af den påførte spænding eller formindskelse af trykket af den omgivende gas førte til en stigning i længden og diameteren af de individuelle veje.
Peter Ries fandt ud af, at diameteren af den positive Lichtenberg-figur var omkring 2,8 gange diameteren af den negative figur opnået ved samme spænding.
Forbindelser mellem størrelsen af Lichtenberg-figurer som funktion af spænding og polaritet blev brugt i tidlige højspændingsmålinger og -optagelsesinstrumenter, såsom clidonografen, til at måle både spidsspændingen og polariteten af højspændingsimpulser.
Klidonografen, nogle gange kaldet "Lichtenberg-kameraet", kan fotografisk fange størrelsen og formen af Lichtenberg-figurer forårsaget af unormale elektriske overspændinger. langs elledninger på grund af lyn.
Klidonografiske målinger gjorde lynforskere og strømsystemdesignere i 1930'erne og 1940'erne i stand til nøjagtigt at måle lyninducerede spændinger og derved give vigtige oplysninger om lynets elektriske egenskaber.
Disse oplysninger gjorde det muligt for kraftingeniører at skabe "kunstigt lyn" med lignende egenskaber i laboratoriet, så de kunne teste effektiviteten af forskellige tilgange til lynbeskyttelse. Siden da er lynbeskyttelse blevet en integreret del af designet af alle moderne transmissions- og distributionssystemer.
Figuren viser eksempler på klidonogrammer af positive og negative højspændingstransienter med forskellige amplituder afhængig af polariteten. Læg mærke til, hvordan de positive Lichtenberg-tal er større i diameter end de negative tal, mens spidsspændingerne er af samme størrelse.
En nyere version af denne enhed, theinographen, bruger en kombination af forsinkelseslinjer og flere clidonograph-lignende sensorer til at fange en række time-lapse "snapshots" af en transient, hvilket gør det muligt for ingeniører at fange den overordnede transiente bølgeform med højspænding.
Selvom de til sidst blev afløst af moderne elektronisk udstyr, fortsatte teinograferne med at blive brugt ind i 1960'erne til at studere opførselen af lyn og skiftende transienter på højspændingstransmissionslinjer.
Det vides nu Lichtenberg-tal forekommer under elektrisk nedbrydning af gasser, isolerende væsker og faste dielektriske stoffer. Lichtenberg-figurer kan skabes på nanosekunder, når en meget høj elektrisk spænding påføres dielektrikumet, eller de kan udvikle sig over flere år på grund af en række små (lavenergi) fejl.
Utallige partielle udladninger ved overfladen eller inden for faste dielektriske stoffer skaber ofte langsomt voksende, delvist ledende 2D overflade Lichtenberg figurer eller interne 3D elektriske træer.
2D elektriske træer findes ofte på overfladen af forurenede elledningsisolatorer. 3D-træer kan også dannes i områder skjult for menneskets syn i isolatorer på grund af tilstedeværelsen af små urenheder eller hulrum, eller på steder, hvor isolatoren er fysisk beskadiget.
Da disse delvist ledende træer i sidste ende kan forårsage fuldstændig elektrisk fejl i isolatoren, er det afgørende at forhindre dannelse og vækst af sådanne "træer" ved deres rødder for den langsigtede pålidelighed af alt højspændingsudstyr.
Lichtenbergs tredimensionelle figurer i klar plast blev først skabt af fysikerne Arno Brasch og Fritz Lange i slutningen af 1940'erne. Ved at bruge deres nyopdagede elektronaccelerator sprøjtede de billioner af frie elektroner ind i plastikprøver, hvilket forårsagede elektrisk nedbrydning og forkulning i form af den indre Lichtenberg-figur.
Elektroner — små negativt ladede partikler, der kredser om de positivt ladede kerner af atomer, der udgør alt kondenseret stof. Brush og Lange brugte højspændingsimpulser fra Marx' multimillion-dollar generator designet til at drive en pulseret elektronstråleaccelerator.
Deres kondensatorenhed kan generere pulser på tre millioner volt og er i stand til at skabe en kraftig udladning af frie elektroner med utrolige spidsstrømme på op til 100.000 ampere.
Det glødende område af stærkt ioniseret luft skabt af den udgående højstrøms elektronstråle lignede den blåviolette flamme fra en raketmotor.
Det komplette sæt af sort-hvide billeder, inklusive Lichtenberg-figurer i en klar plastikblok, er for nylig blevet tilgængelig online.