Lichtenberg figure: povijest, fizički princip udara
Lichtenbergovim figurama nazivaju se razgranati uzorci poput stabla dobiveni prolaskom visokonaponskih električnih pražnjenja na površini ili unutar mase dielektričnih materijala.
Prve Lichtenbergove figure su dvodimenzionalne, to su figure nastale od praha. Prvi put ih je 1777. uočio njemački fizičar - prof Georg Christoph Lichtenberg… Prašina u zraku koja se taložila na površinama električno nabijenih smolnih ploča u njegovom laboratoriju stvorila je ove neobične uzorke.
Profesor je ovaj fenomen demonstrirao svojim studentima fizike, a o ovom otkriću je govorio iu svojim memoarima. Lichtenberg je o tome pisao kao o novoj metodi proučavanja prirode i gibanja električnog fluida.
Nešto slično može se pročitati u Lichtenbergovim memoarima. “Ovi se uzorci ne razlikuju puno od uzorka za graviranje. Ponekad se pojavljuju gotovo bezbrojne zvijezde, Mliječni put i velika sunca. Na njihovoj konveksnoj strani sjale su duge.
Rezultat su bile sjajne grančice slične onima koje se vide kad se vlaga smrzne na prozoru. Oblaci različitih oblika i sjene različite dubine. Ali najveći dojam za mene je bio da te brojeve nije bilo lako izbrisati jer sam ih pokušao izbrisati bilo kojom od uobičajenih metoda.
Nisam mogao spriječiti da oblici koje sam upravo izbrisao ponovno zasjaju, svjetlije. Na figure sam stavio list crnog papira premazanog viskoznim materijalom i lagano ga pritisnuo. Tako sam mogao napraviti otiske figura, od kojih je šest predstavljeno Kraljevskom društvu.
Ova nova vrsta stjecanja slika iznimno me razveselila jer sam se žurila raditi druge stvari i nisam imala ni vremena ni želje crtati ili uništavati sve te crteže. «
U svojim pokusima koji su uslijedili, profesor Lichtenberg koristio je razne visokonaponske elektrostatske uređaje za naelektrisanje površina širokog spektra dielektričnih materijala kao što su smola, staklo, ebonit...
Zatim je posuo mješavinu sumpora i olovnog tetroksida na nabijene površine. Sumpor (koji je postao negativno nabijen zbog trenja u spremniku) više su privlačile pozitivno nabijene površine.
Isto tako, čestice olovnog tetroksida nabijene trenjem koje imaju pozitivan naboj bile su privučene negativno nabijenim područjima površine. Obojeni prahovi dali su prethodno nevidljivim područjima površinski vezanih naboja jasno vidljiv oblik i pokazali njihov polaritet.
Tako je profesoru postalo jasno da su nabijene dijelove površine formirale male iskre. statična struja… Iskre su, dok su bljeskale preko površine dielektrika, ostavile odvojena područja njegove površine električnim nabojem.
Nakon što se pojave na površini dielektrika, naboji tamo ostaju dosta dugo, budući da sam dielektrik sprječava njihovo kretanje i raspršivanje. Osim toga, Lichtenberg je otkrio da su obrasci pozitivnih i negativnih vrijednosti prašine značajno različiti.
Pražnjenja proizvedena pozitivno nabijenom visokonaponskom žicom bila su u obliku zvijezde s dugim stazama grananja, dok su pražnjenja s negativne elektrode bila kraća, zaobljena, lepezasta i školjkasta.
Pažljivo stavljajući listove papira na prašnjave površine, Lichtenberg je otkrio da može prenijeti slike na papir. Tako su na kraju nastali suvremeni procesi kserografije i laserskog tiska.Utemeljio je fiziku koja je evoluirala od Lichtenbergovih praškastih figura u modernu znanost. o fizici plazme.
Mnogi drugi fizičari, eksperimentatori i umjetnici proučavali su Lichtenbergove figure tijekom sljedećih dvjesto godina. Značajni istraživači 19. i 20. stoljeća bili su i fizičari Gaston Plante i Peter T. Riess.
Krajem 19. st. francuski umjetnik i znanstvenik Etienne Leopold Trouvaux stvorio "Truvelo figure" — sada poznat kao Lichtenbergove fotografske figure — pomoću Rumkorfova zavojnica kao izvor visokog napona.
Ostali istraživači bili su Thomas Burton Kinreid i profesori Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen i Arthur von Hippel.
Većina suvremenih istraživača i umjetnika koristila se fotografskim filmom za izravno hvatanje slabog svjetla koje emitira električna pražnjenja.
Bogati engleski industrijalac i istraživač visokog napona, Lord William G. Armstrong objavio dvije izvrsne knjige u boji koje predstavljaju neka od njegovih istraživanja visokog napona i Lichtenbergovih brojki.
Iako su te knjige sada prilično male, kopija Armstrongove prve knjige, Električno gibanje u zraku i vodi s teorijskim odbicima, postala je dostupna ljubaznim naporima Geoffa Beharryja u Muzeju elektroterapije na prijelazu stoljeća.
Sredinom 1920-ih von Hippel je to otkrio Lichtenbergove figure zapravo su rezultat složenih interakcija između koronskih pražnjenja, ili sićušnih električnih iskrica zvanih streamers, i dielektrične površine ispod.
Električna pražnjenja primjenjuju odgovarajuće "obrasce" električnog naboja na dielektričnu površinu ispod, gdje se privremeno vežu. Von Hippel je također otkrio da povećanje primijenjenog napona ili smanjenje tlaka okolnog plina dovodi do povećanja duljine i promjera pojedinačnih staza.
Peter Ries otkrio je da je promjer pozitivne Lichtenbergove figure oko 2,8 puta veći od promjera negativne figure dobivene pri istom naponu.
Odnosi između veličine Lichtenbergovih brojki kao funkcije napona i polariteta korišteni su u ranim instrumentima za mjerenje i snimanje visokog napona, kao što je klidonograf, za mjerenje i vršnog napona i polariteta visokonaponskih impulsa.
Klidonograf, koji se ponekad naziva "Lichtenbergova kamera", može fotografski uhvatiti veličinu i oblik Lichtenbergovih figura uzrokovanih nepravilnim električnim udarima. duž dalekovoda zbog munje.
Klidonografska mjerenja omogućila su istraživačima munje i dizajnerima elektroenergetskih sustava 1930-ih i 1940-ih da precizno mjere napone izazvane munjama, čime su pružili važne informacije o električnim karakteristikama munje.
Ove informacije omogućile su inženjerima energetike da u laboratoriju stvore "umjetnu munju" sličnih karakteristika kako bi mogli testirati učinkovitost različitih pristupa zaštiti od munje. Od tada je zaštita od munje postala sastavni dio dizajna svih modernih prijenosnih i distribucijskih sustava.
Na slici su prikazani primjeri klidonograma pozitivnih i negativnih visokonaponskih prijelaza s različitim amplitudama ovisno o polaritetu. Primijetite kako su pozitivne Lichtenbergove brojke većeg promjera od negativnih brojki, dok su vršni naponi iste veličine.
Novija verzija ovog uređaja, teinograf, koristi kombinaciju linija kašnjenja i višestrukih senzora sličnih klidonografu za snimanje niza vremenskih "snimki" prijelaza, omogućujući inženjerima da zabilježe ukupni prijelazni valni oblik s visokim naponom.
Iako ih je na kraju zamijenila moderna elektronička oprema, teinografi su se nastavili koristiti u 1960-ima za proučavanje ponašanja munja i sklopnih prijelaza na visokonaponskim dalekovodima.
Sada se zna da Lichtenbergove brojke nastaju tijekom električnog proboja plinova, izolacijskih tekućina i čvrstih dielektrika. Lichtenbergove figure mogu se stvoriti u nanosekundama kada se na dielektrik primijeni vrlo visok električni napon ili se mogu razvijati tijekom nekoliko godina zbog niza malih (niskoenergetskih) kvarova.
Bezbrojna djelomična pražnjenja na površini ili unutar čvrstih dielektrika često stvaraju sporo rastuće, djelomično vodljive 2D površinske Lichtenberg figure ili unutarnja 3D električna stabla.
2D električna stabla često se nalaze na površini kontaminiranih izolatora dalekovoda. 3D stabla se također mogu formirati u područjima skrivenim od ljudskog pogleda u izolatorima zbog prisutnosti malih nečistoća ili šupljina ili na mjestima gdje je izolator fizički oštećen.
Budući da ta djelomično vodljiva stabla mogu na kraju uzrokovati potpuni električni kvar izolatora, sprječavanje formiranja i rasta takvih "stabala" u njihovim korijenima ključno je za dugoročnu pouzdanost sve visokonaponske opreme.
Lichtenbergove trodimenzionalne figure od prozirne plastike prvi su izradili fizičari Arno Brasch i Fritz Lange kasnih 1940-ih. Koristeći svoj novootkriveni akcelerator elektrona, ubrizgali su trilijune slobodnih elektrona u plastične uzorke, uzrokujući električni slom i pougljenje u obliku unutarnje Lichtenbergove figure.
Elektroni — male negativno nabijene čestice koje kruže oko pozitivno nabijenih jezgri atoma koje čine svu kondenziranu tvar. Brush i Lange koristili su visokonaponske impulse iz Marxova multimilijunski generatora dizajniranog za pogon akceleratora pulsirajućeg snopa elektrona.
Njihov kondenzatorski uređaj može generirati impulse od tri milijuna volti i sposoban je stvoriti snažno pražnjenje slobodnih elektrona s nevjerojatnim vršnim strujama do 100.000 ampera.
Sjajno područje visoko ioniziranog zraka stvoreno izlaznom visokostrujnom elektronskom zrakom nalikovalo je plavkasto-ljubičastom plamenu raketnog motora.
Kompletan set crno-bijelih slika, uključujući Lichtenbergove figure u prozirnom plastičnom bloku, nedavno je postao dostupan na internetu.