Lichtenbergi kujundid: ajalugu, füüsikaline mõjuprintsiip

Lichtenbergi figuure nimetatakse hargnenud puutaolisteks mustriteks, mis saadakse kõrgepinge elektrilahenduste juhtimisel põhiosa dielektriliste materjalide pinnale või sees.

Lichtenbergi esimesed figuurid on kahemõõtmelised, need on tolmust vormitud kujundid. Esimest korda jälgis neid 1777. aastal saksa füüsik - professor Georg Christoph Lichtenberg… Tema laboris elektriliselt laetud vaiguplaatide pindadele settinud õhutolm lõi need ebatavalised mustrid.

Professor demonstreeris seda nähtust oma füüsikatudengitele, ta rääkis sellest avastusest ka oma mälestustes. Lichtenberg kirjutas sellest kui uuest meetodist elektrivedeliku olemuse ja liikumise uurimiseks.

Midagi sarnast võib lugeda Lichtenbergi mälestustest. “Need mustrid ei erine väga graveerimismustrist. Mõnikord ilmub sinna peaaegu lugematu arv tähti, Linnutee ja suured päikesed. Nende kumeral küljel särasid vikerkaared.

Tulemuseks olid läikivad oksad, mis sarnanevad nendega, mida on näha, kui niiskus aknal külmub. Erineva kujuga pilved ja erineva sügavusega varjud. Kuid mulle jättis kõige suurema mulje see, et neid numbreid ei olnud lihtne kustutada, sest ma püüdsin neid kustutada mis tahes tavapärasel viisil.

Ma ei suutnud takistada äsja kustutatud kujundeid uuesti helendamast, heledamaks. Panin figuuridele viskoosse materjaliga kaetud musta paberilehe ja vajutasin kergelt. Nii sain teha figuuritrükke, millest kuus esitati Kuninglikule Seltsile.

Selline uut tüüpi piltide soetamine valmistas mulle tohutult rõõmu, sest mul oli kiire muude asjadega ja polnud aega ega tahtmist kõiki neid jooniseid joonistada või hävitada. «

Oma järgnevates katsetes kasutas professor Lichtenberg mitmesuguseid kõrgepinge elektrostaatilisi seadmeid mitmesuguste dielektriliste materjalide, näiteks vaigu, klaasi, eboniidi pindade laadimiseks...

Seejärel tolmutas ta laetud pindadele väävli ja plii tetroksiidi segu. Väävel (mis sai konteineris hõõrdumisel negatiivselt laetud) tõmbas positiivselt laetud pindade poole rohkem.

Samuti tõmbasid positiivse laenguga hõõrdlaenguga plii tetroksiidi osakesed pinna negatiivselt laetud piirkondadesse. Värvilised pulbrid andsid eelnevalt nähtamatud pinnaga seotud laengute piirkondadele selgelt nähtava kuju ja näitasid nende polaarsust.

Nii sai professorile selgeks, et pinna laetud lõigud on moodustunud väikestest sädemetest. staatiline elekter… Sädemed, mis sähvatasid üle dielektriku pinna, jätsid selle pinna eraldi alad elektriliselt laetuks.

Pärast dielektriku pinnale ilmumist püsivad laengud seal üsna pikka aega, kuna dielektrik ise takistab nende liikumist ja hajumist. Lisaks leidis Lichtenberg, et positiivsete ja negatiivsete tolmuväärtuste mustrid olid oluliselt erinevad.

Positiivse laenguga kõrgepingejuhtme tekitatud tühjendused olid tähekujulised ja pikkade hargnemisteedega, samas kui negatiivse elektroodi tühjendused olid lühemad, ümarad, lehvikukujulised ja kestad.

Paberilehti ettevaatlikult tolmustele pindadele asetades avastas Lichtenberg, et suudab pilte paberile üle kanda. Nii kujunesid lõpuks välja tänapäevased kserograafia ja laserprintimise protsessid.Ta pani aluse füüsikale, mis arenes Lichtenbergi pulberfiguuridest kaasaegseks teaduseks. plasmafüüsika kohta.

Paljud teised füüsikud, eksperimenteerijad ja kunstnikud uurisid Lichtenbergi figuure järgmise kahesaja aasta jooksul. 19. ja 20. sajandi märkimisväärsete uurijate seas olid ka füüsikud Gaston Plante ja Peter T. Riess.

19. sajandi lõpul prantsuse kunstnik ja teadlane Etienne Leopold Trouvaux loodud "Truvelo figuurid" - nüüd tuntud kui Lichtenbergi fotofiguurid - kasutades Rumkorfi mähis kõrgepingeallikana.

Teised uurijad olid Thomas Burton Kinreid ja professorid Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen ja Arthur von Hippel.

Enamik kaasaegseid teadlasi ja kunstnikke on kasutanud fotofilme, et otse jäädvustada nõrga valguse kiirgamist elektrilahendused.

Jõukas inglise tööstur ja kõrgepingeuurija, Lord William G. Armstrong avaldas kaks suurepärast täisvärvilist raamatut, mis tutvustavad mõningaid tema kõrgepinge ja Lichtenbergi figuure käsitlevaid uuringuid.

Kuigi need raamatud on praegu üsna väikesed, tehti sajandivahetusel elektroteraapia muuseumis Geoff Beharry lahkete jõupingutustega koopia Armstrongi esimesest raamatust "Elektriline liikumine õhus ja vees koos teoreetiliste järeldustega".

1920. aastate keskel avastas von Hippel selle Lichtenbergi figuurid on tegelikult tingitud koroonalahenduste ehk pisikeste elektrisädemete, mida nimetatakse striimideks, ja allpool oleva dielektrilise pinna vahel.

Elektrilahendused rakendavad vastavaid elektrilaengu "mustreid" allpool olevale dielektrilisele pinnale, kus nad ajutiselt seostuvad. Von Hippel leidis ka, et rakendatava pinge suurendamine või ümbritseva gaasi rõhu vähendamine tõi kaasa üksikute radade pikkuse ja läbimõõdu suurenemise.

Peter Ries leidis, et positiivse Lichtenbergi kujundi läbimõõt oli umbes 2,8 korda suurem sama pinge juures saadud negatiivse figuuri läbimõõdust.

Lichtenbergi kujundite suuruse vahelisi seoseid pinge ja polaarsuse funktsioonina kasutati varases kõrgepinge mõõtmis- ja salvestusseadmetes, näiteks klidonograafis, et mõõta nii kõrgepingeimpulsside tipppinget kui ka polaarsust.

Klidonograaf, mida mõnikord nimetatakse "Lichtenbergi kaameraks", suudab fotograafiliselt jäädvustada Lichtenbergi figuuride suurust ja kuju, mis on põhjustatud anomaalsetest elektripingetest. mööda elektriliine tõttu välgunooled.

Klidonograafilised mõõtmised võimaldasid välguuurijatel ja elektrisüsteemide projekteerijatel 1930. ja 1940. aastatel täpselt mõõta pikse põhjustatud pingeid, andes seeläbi olulist teavet välgu elektriliste omaduste kohta.

See teave võimaldas energeetikainseneridel luua laboris sarnaste omadustega "kunstvälgu", et nad saaksid katsetada erinevate piksekaitse lähenemisviiside tõhusust. Sellest ajast alates on piksekaitsest saanud kõigi kaasaegsete ülekande- ja jaotussüsteemide disaini lahutamatu osa.

Joonisel on näited positiivsete ja negatiivsete kõrgepinge siirdetegurite klidonogrammidest, millel on polaarsusest olenevalt erinev amplituudid. Pange tähele, kuidas positiivsed Lichtenbergi arvud on suurema läbimõõduga kui negatiivsed, samas kui tipppinged on sama suurusega.

Selle seadme uuem versioon, theinograaf, kasutab viivitusjoonte ja mitme klidonograafitaolise anduri kombinatsiooni, et jäädvustada rea ​​aeglustatud "hetktõmmiseid" üleminekust, võimaldades inseneridel jäädvustada üldise siirdelainekuju kõrge pingega.

Kuigi need asendati lõpuks kaasaegsete elektroonikaseadmetega, kasutati inograafe 1960ndatel aastatel välgu ja lülitustransientide käitumise uurimiseks kõrgepinge ülekandeliinidel.

Nüüdseks on see teada Lichtenbergi figuurid tekivad gaaside, isoleerivate vedelike ja tahkete dielektrikute elektrilise purunemise ajal. Lichtenbergi figuurid võivad tekkida nanosekundites, kui dielektrikule rakendatakse väga kõrget elektrilist pinget, või need võivad tekkida mitme aasta jooksul väikeste (madala energiaga) rikete tõttu.

Lugematud osalised tühjenemised pinnal või tahkete dielektrikute sees loovad sageli aeglaselt kasvavaid, osaliselt juhtivaid 2D pinna Lichtenbergi kujundeid või sisemisi 3D elektripuid.

2D elektripuid leidub sageli saastunud elektriliinide isolaatorite pinnal. 3D-puud võivad tekkida ka inimese nägemise eest varjatud aladel isolaatorites väikeste lisandite või tühimike olemasolu tõttu või kohtades, kus isolaator on füüsiliselt kahjustatud.

Kuna need osaliselt juhtivad puud võivad lõpuks põhjustada isolaatori täieliku elektririkke, on selliste "puude" tekke ja kasvu takistamine nende juurtes ülioluline kõigi kõrgepingeseadmete pikaajalise töökindluse seisukohalt.

Lichtenbergi läbipaistvast plastist kolmemõõtmelised figuurid lõid esmakordselt füüsikud Arno Brasch ja Fritz Lange 1940. aastate lõpus. Hiljuti avastatud elektronkiirendit kasutades süstisid nad plastproovidesse triljoneid vabu elektrone, põhjustades elektrikatkestuse ja söestumise Lichtenbergi sisekuju kujul.

Elektronid — väikesed negatiivse laenguga osakesed, mis tiirlevad ümber positiivselt laetud aatomituumade, mis moodustavad kogu kondenseerunud aine. Brush ja Lange kasutasid Marxi mitme miljoni dollari suuruse generaatori kõrgepingeimpulsse, mis olid mõeldud impulss-elektronkiirte kiirendi käivitamiseks.

Nende kondensaatorseade suudab genereerida kolme miljoni volti impulsse ja on võimeline tekitama võimsa vabade elektronide tühjenemise uskumatute tippvooludega kuni 100 000 amprit.

Väljuva suure vooluga elektronkiire tekitatud tugevalt ioniseeritud õhu hõõguv piirkond meenutas rakettmootori sinakasvioletset leeki.

Täielik mustvalgete piltide komplekt, sealhulgas Lichtenbergi figuurid läbipaistvas plastplokis, on hiljuti Internetis saadaval.