Lichtenbergove postavy: história, fyzikálny princíp nárazu

Lichtenbergove obrazce sa nazývajú rozvetvené, stromovité obrazce získané prechodom vysokonapäťových elektrických výbojov na povrch alebo vo vnútri množstva dielektrických materiálov.

Lichtenbergove prvé figúry sú dvojrozmerné, sú to figúry vytvorené z prachu. Prvýkrát ich pozoroval v roku 1777 nemecký fyzik – profesor Georg Christoph Lichtenberg... Vzduchom prenášaný prach, ktorý sa usadil na povrchoch elektricky nabitých živicových platní v jeho laboratóriu, vytvoril tieto nezvyčajné vzory.

Profesor tento jav predviedol svojim študentom fyziky, o tomto objave hovoril aj vo svojich memoároch. Lichtenberg o tom písal ako o novej metóde štúdia povahy a pohybu elektrickej tekutiny.

Niečo podobné sa možno dočítať v Lichtenbergových memoároch. „Tieto vzory sa veľmi nelíšia od vzoru gravírovania. Niekedy sa objaví takmer nespočetné množstvo hviezd, Mliečna dráha a veľké slnká. Na ich konvexnej strane žiarili dúhy.

Výsledkom boli lesklé vetvičky podobné tým, ktoré je možné vidieť, keď vlhkosť zamrzne na okne. Mraky rôznych tvarov a tiene rôznych hĺbok. Najväčším dojmom pre mňa však bolo, že tieto čísla nebolo ľahké vymazať, pretože som sa ich snažil vymazať akoukoľvek z bežných metód.

Nemohol som zastaviť, aby tvary, ktoré som práve vymazal, opäť žiarili, jasnejšie. Na figúrky som položil list čierneho papiera potiahnutý viskóznym materiálom a zľahka som ho pritlačil. Tak som mohol urobiť výtlačky figúrok, z ktorých šesť bolo prezentovaných Kráľovskej spoločnosti.

Tento nový typ získavania obrázkov ma nesmierne potešil, pretože som sa ponáhľal robiť iné veci a nemal som ani čas, ani chuť kresliť alebo ničiť všetky tieto kresby. «

Vo svojich nasledujúcich experimentoch profesor Lichtenberg použil rôzne vysokonapäťové elektrostatické zariadenia na nabíjanie povrchov širokej škály dielektrických materiálov, ako je živica, sklo, ebonit...

Nabité povrchy potom poprášil zmesou síry a oxidu olovnatého. Síra (ktorá sa záporne nabila trením v nádobe) bola viac priťahovaná ku kladne nabitým povrchom.

Podobne boli trením nabité častice oxidu olovnatého, ktoré majú kladný náboj, priťahované k záporne nabitým oblastiam povrchu. Farebné prášky dali predtým neviditeľným oblastiam povrchovo viazaných nábojov jasne viditeľný tvar a ukázali ich polaritu.

Profesorovi tak bolo jasné, že nabité časti povrchu tvorili malé iskry. statická elektrina… Iskry, ktoré prebleskovali cez povrch dielektrika, zanechali oddelené oblasti jeho povrchu elektricky nabité.

Po objavení sa na povrchu dielektrika tam náboje zostanú pomerne dlho, keďže samotné dielektrikum bráni ich pohybu a rozptylu. Okrem toho Lichtenberg zistil, že vzory pozitívnych a negatívnych hodnôt prachu boli výrazne odlišné.

Výboje produkované kladne nabitým vysokonapäťovým drôtom boli hviezdicového tvaru s dlhými vetviacimi dráhami, zatiaľ čo výboje zo zápornej elektródy boli kratšie, zaoblené, vejárovité a mušľovité.

Opatrným ukladaním listov papiera na zaprášené povrchy Lichtenberg zistil, že dokáže prenášať obrázky na papier. Tak sa nakoniec sformovali moderné procesy xerografie a laserovej tlače.Založil fyziku, ktorá sa z Lichtenbergových práškových figúrok vyvinula do modernej vedy. o fyzike plazmy.

Mnoho ďalších fyzikov, experimentátorov a umelcov študovalo Lichtenbergove postavy počas nasledujúcich dvesto rokov. Medzi významných výskumníkov 19. a 20. storočia patrili fyzici Gaston Plante a Peter T. Riess.

Koncom 19. storočia francúzsky umelec a vedec Etienne Leopold Trouvaux vytvorené "Postavičky Truvelo" — teraz známy ako Lichtenbergove fotografické postavy - použitím Rumkorfova cievka ako zdroj vysokého napätia.

Ďalšími výskumníkmi boli Thomas Burton Kinreid a profesori Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen a Arthur von Hippel.

Väčšina moderných výskumníkov a umelcov používa fotografický film na priame zachytenie slabého svetla, ktoré vyžaruje elektrické výboje.

Bohatý anglický priemyselník a výskumník vysokého napätia, Lord William G. Armstrong publikoval dve vynikajúce plnofarebné knihy, ktoré predstavujú niektoré z jeho výskumov o vysokonapäťových a Lichtenbergových postavách.

Hoci sú tieto knihy v súčasnosti pomerne malé, kópia prvej Armstrongovej knihy, Elektrický pohyb vo vzduchu a vode s teoretickými dedukciami, bola sprístupnená vďaka láskavému úsiliu Geoffa Beharryho v Múzeu elektroterapie na prelome storočia.

V polovici 20. rokov to zistil von Hippel Lichtenbergove obrazce sú v skutočnosti výsledkom zložitých interakcií medzi korónovými výbojmi alebo malými elektrickými iskrami nazývanými streamery a dielektrickým povrchom pod nimi.

Elektrické výboje aplikujú zodpovedajúce "vzorce" elektrického náboja na dielektrický povrch pod ním, kde sa dočasne spoja. Von Hippel tiež zistil, že zvýšenie použitého napätia alebo zníženie tlaku okolitého plynu viedlo k zväčšeniu dĺžky a priemeru jednotlivých dráh.

Peter Ries zistil, že priemer kladného Lichtenbergovho obrazca bol približne 2,8-násobok priemeru záporného obrazca získaného pri rovnakom napätí.

Vzťahy medzi veľkosťou Lichtenbergových čísel ako funkcia napätia a polarity boli použité v skorých vysokonapäťových meracích a záznamových prístrojoch, ako je clidonograf, na meranie špičkového napätia aj polarity vysokonapäťových impulzov.

Klidonograf, niekedy nazývaný aj „Lichtenbergova kamera“, dokáže fotograficky zachytiť veľkosť a tvar Lichtenbergových postáv spôsobených anomálnymi elektrickými prepätiami. pozdĺž elektrického vedenia kvôli blesky.

Klidonografické merania umožnili výskumníkom v oblasti bleskov a dizajnérom energetických systémov v 30. a 40. rokoch 20. storočia presne merať napätia vyvolané bleskom, čím poskytli dôležité informácie o elektrických charakteristikách blesku.

Tieto informácie umožnili energetikom vytvoriť „umelý blesk“ s podobnými charakteristikami v laboratóriu, aby mohli testovať účinnosť rôznych prístupov k ochrane pred bleskom. Odvtedy sa ochrana pred bleskom stala neoddeliteľnou súčasťou dizajnu všetkých moderných prenosových a distribučných sústav.

Obrázok ukazuje príklady clidonogramov kladných a záporných vysokonapäťových prechodových javov s rôznymi amplitúdami v závislosti od polarity. Všimnite si, ako majú kladné Lichtenbergove čísla väčší priemer ako záporné čísla, zatiaľ čo špičkové napätia majú rovnakú veľkosť.

Novšia verzia tohto zariadenia, theinograf, využíva kombináciu oneskorovacích liniek a viacerých senzorov podobných clidonografu na zachytenie série časozberných "snímok" prechodného javu, čo umožňuje inžinierom zachytiť celkový prechodový priebeh s vysokým napätím.

Hoci boli nakoniec nahradené modernými elektronickými zariadeniami, teinografy sa naďalej používali až do 60. rokov 20. storočia na štúdium správania bleskov a spínacích prechodov na vysokonapäťových prenosových vedeniach.

Teraz je to známe Lichtenbergove čísla sa vyskytujú počas elektrického rozpadu plynov, izolačných kvapalín a pevných dielektrík. Lichtenbergove obrazce môžu byť vytvorené v nanosekundách, keď sa na dielektrikum aplikuje veľmi vysoké elektrické napätie, alebo sa môžu vyvíjať počas niekoľkých rokov v dôsledku série malých (nízkoenergetických) porúch.

Nespočetné čiastkové výboje na povrchu alebo v pevných dielektrikách často vytvárajú pomaly rastúce, čiastočne vodivé 2D povrchové Lichtenbergove postavy alebo vnútorné 3D elektrické stromy.

2D elektrické stromy sa často nachádzajú na povrchu kontaminovaných izolátorov elektrického vedenia. 3D stromy sa môžu vytvárať aj v oblastiach skrytých pred ľudským zrakom v izolátoroch v dôsledku prítomnosti malých nečistôt alebo dutín, alebo na miestach, kde je izolátor fyzicky poškodený.

Keďže tieto čiastočne vodivé stromy môžu nakoniec spôsobiť úplné elektrické zlyhanie izolátora, zabránenie vzniku a rastu takýchto „stromov“ na ich koreňoch je rozhodujúce pre dlhodobú spoľahlivosť všetkých vysokonapäťových zariadení.

Lichtenbergove trojrozmerné postavy z číreho plastu prvýkrát vytvorili fyzici Arno Brasch a Fritz Lange koncom 40-tych rokov 20. storočia. Pomocou svojho novoobjaveného elektrónového urýchľovača vstrekli bilióny voľných elektrónov do plastových vzoriek, čo spôsobilo elektrický rozpad a zuhoľnatenie v tvare vnútornej Lichtenbergovej figúry.

Elektróny - malé záporne nabité častice, ktoré sa točia okolo kladne nabitých jadier atómov, ktoré tvoria všetku kondenzovanú hmotu. Brush a Lange použili vysokonapäťové impulzy z Marxovho multimiliónového generátora určeného na pohon impulzného urýchľovača elektrónového lúča.

Ich kondenzátorové zariadenie dokáže generovať impulzy tri milióny voltov a je schopné vytvoriť silný výboj voľných elektrónov s neuveriteľnými špičkovými prúdmi až do 100 000 ampérov.

Žiarivá oblasť vysoko ionizovaného vzduchu vytvorená odchádzajúcim vysokoprúdovým elektrónovým lúčom pripomínala modrofialový plameň raketového motora.

Kompletná sada čiernobielych obrázkov, vrátane Lichtenbergových figúrok v priehľadnom plastovom bloku, bola nedávno dostupná online.