Lichtenbergin hahmot: historia, fyysinen vaikutuksen periaate
Lichtenberg-hahmoja kutsutaan haaroittuneiksi, puun kaltaisiksi kuvioiksi, jotka saadaan johtamalla korkeajännitteisiä sähköpurkauksia dielektristen materiaalien pinnalle tai sisään.
Lichtenbergin ensimmäiset hahmot ovat kaksiulotteisia, ne ovat pölystä muodostettuja hahmoja. Saksalainen fyysikko - professori havaitsi ne ensimmäisen kerran vuonna 1777 Georg Christoph Lichtenberg… Hänen laboratoriossaan sähköisesti varautuneiden hartsilevyjen pinnoille laskeutunut ilmassa oleva pöly loi nämä epätavalliset kuviot.
Professori esitteli tämän ilmiön fysiikan opiskelijoilleen, hän puhui tästä löydöstä myös muistelmissaan. Lichtenberg kirjoitti tästä uudeksi menetelmäksi tutkia sähkönesteen luonnetta ja liikettä.
Jotain vastaavaa voidaan lukea Lichtenbergin muistelmista. "Nämä kuviot eivät eroa kovinkaan paljon kaiverruskuviosta. Joskus ilmestyy lähes lukemattomia tähtiä, Linnunrata ja suuret auringot. Sateenkaaret loistivat niiden kuperalla puolella.
Tuloksena oli kiiltäviä oksia, jotka ovat samanlaisia kuin ne, jotka voidaan nähdä, kun kosteus jäätyy ikkunaan. Eri muotoisia pilviä ja eri syvyyksiä. Mutta suurin vaikutelma minulle oli, että näitä numeroita ei ollut helppo poistaa, koska yritin pyyhkiä ne millä tahansa tavanomaisella menetelmällä.
En voinut estää juuri pyyhittämiäni muotoja hehkumasta uudelleen, kirkkaampana. Laitoin figuurien päälle viskoosisella materiaalilla päällystetyn mustan paperiarkin ja painoin sitä kevyesti. Näin ollen pystyin tekemään tulosteita hahmoista, joista kuusi esitettiin Royal Societylle.
Tämä uudenlainen kuvanhankinta teki minut erittäin iloiseksi, koska minulla oli kiire tehdä muita asioita, eikä minulla ollut aikaa eikä halua piirtää tai tuhota kaikkia näitä piirustuksia. «
Myöhemmissä kokeissaan professori Lichtenberg käytti erilaisia korkeajännitteisiä sähköstaattisia laitteita lataamaan erilaisten eristemateriaalien, kuten hartsin, lasin, eboniittien...
Sitten hän pölytti rikin ja lyijytetroksidin seosta varautuneille pinnoille. Rikki (josta tuli negatiivisesti varautunut kitkan vaikutuksesta säiliössä) veti enemmän puoleensa positiivisesti varautuneita pintoja.
Samoin kitkavarautuneet lyijytetroksidihiukkaset, joilla on positiivinen varaus, vetivät puoleensa pinnan negatiivisesti varautuneita alueita. Värilliset jauheet antoivat pintaan sitoutuneiden varausten aiemmin näkymättömille alueille selkeän näkyvän muodon ja osoittivat napaisuuden.
Näin professorille kävi selväksi, että pinnan varautuneet osat muodostuivat pienistä kipinöistä. staattinen sähkö… Kipinät, kun ne välähtivät eristeen pinnalla, jättivät sen pinnan erilliset alueet sähköisesti varautuneiksi.
Eristeen pinnalle ilmaantumisen jälkeen varaukset pysyvät siellä melko pitkään, koska dielektri itsessään estää niiden liikkumisen ja hajaantumisen. Lisäksi Lichtenberg havaitsi, että positiivisten ja negatiivisten pölyarvojen mallit olivat merkittävästi erilaisia.
Positiivisesti varautuneen suurjännitelangan tuottamat purkaukset olivat tähtimäisiä pitkillä haarautumispoluilla, kun taas negatiivisen elektrodin purkaukset olivat lyhyempiä, pyöreitä, viuhkamaisia ja kuorimaisia.
Laittamalla paperiarkkeja varovasti pölyisille pinnoille, Lichtenberg huomasi pystyvänsä siirtämään kuvia paperille. Siten syntyivät lopulta nykyaikaiset kserografian ja lasertulostuksen prosessit ja hän perusti fysiikan, joka kehittyi Lichtenbergin jauhehahmoista moderniksi tieteeksi. plasmafysiikasta.
Monet muut fyysikot, kokeilijat ja taiteilijat tutkivat Lichtenbergin hahmoja seuraavien kahdensadan vuoden aikana. Huomattavia 1800- ja 1900-lukujen tutkijoita olivat fyysikot Gaston Plante ja Peter T. Riess.
1800-luvun lopulla ranskalainen taiteilija ja tiedemies Etienne Leopold Trouvaux luotu "Truvelon hahmot" - tunnetaan nyt nimellä Lichtenbergin valokuvaushahmot - käyttää Rumkorf kela korkeajännitelähteenä.
Muita tutkijoita olivat Thomas Burton Kinreid ja professorit Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen ja Arthur von Hippel.
Useimmat nykyaikaiset tutkijat ja taiteilijat ovat käyttäneet valokuvafilmejä vangitakseen suoraan heikon valon sähköpurkauksia.
Varakas englantilainen teollisuusmies ja korkeajännitetutkija, Lord William G. Armstrong julkaisi kaksi erinomaista täysvärikirjaa, jotka esittelevät hänen tutkimuksiaan korkeajännite- ja Lichtenberg-hahmoista.
Vaikka nämä kirjat ovat nykyään melko pieniä, kopio Armstrongin ensimmäisestä kirjasta, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, saatiin Geoff Beharryn ystävällisten ponnistelujen ansiosta saataville Sähköterapiamuseossa vuosisadan vaihteessa.
1920-luvun puolivälissä von Hippel huomasi sen Lichtenbergin hahmot ovat itse asiassa seurausta monimutkaisista vuorovaikutuksista koronapurkausten tai pienten sähkökipinöiden, joita kutsutaan striimereiksi, ja alla olevan dielektrisen pinnan välillä.
Sähköpurkaukset kohdistavat vastaavia sähkövarauksen "kuvioita" alla olevaan dielektriseen pintaan, johon ne väliaikaisesti sitoutuvat. Von Hippel havaitsi myös, että käytetyn jännitteen lisääminen tai ympäröivän kaasun paineen vähentäminen johti yksittäisten polkujen pituuden ja halkaisijan kasvuun.
Peter Ries havaitsi, että positiivisen Lichtenberg-luvun halkaisija oli noin 2,8 kertaa samalla jännitteellä saadun negatiivisen luvun halkaisija.
Lichtenberg-lukujen koon välisiä suhteita jännitteen ja polariteetin funktiona käytettiin varhaisissa suurjännitemittaus- ja tallennuslaitteissa, kuten klidonografissa, mittaamaan sekä huippujännitettä että korkeajännitepulssien napaisuutta.
Klidonografi, jota joskus kutsutaan "Lichtenberg-kameraksi", voi kuvata valokuvallisesti Lichtenbergin hahmojen kokoa ja muotoa, jotka johtuvat poikkeavista sähköpiikkeistä. voimalinjoja pitkin johdosta Salamat.
Klidonografiset mittaukset mahdollistivat salamantutkijat ja sähköjärjestelmien suunnittelijat 1930- ja 1940-luvuilla mittaamaan tarkasti salaman aiheuttamia jännitteitä, mikä antoi tärkeää tietoa salaman sähköisistä ominaisuuksista.
Näiden tietojen avulla energiainsinöörit pystyivät luomaan "keinotekoista salamaa", jolla oli samanlaiset ominaisuudet laboratoriossa, jotta he voisivat testata erilaisten ukkossuojausmenetelmien tehokkuutta. Siitä lähtien ukkossuojauksesta on tullut olennainen osa kaikkien nykyaikaisten siirto- ja jakelujärjestelmien suunnittelua.
Kuvassa on esimerkkejä klidonogrammeista positiivisista ja negatiivisista suurjännitetransienteista, joiden amplitudit vaihtelevat polariteetista riippuen. Huomaa, kuinka positiiviset Lichtenberg-luvut ovat halkaisijaltaan suurempia kuin negatiiviset, kun taas huippujännitteet ovat samaa suuruusluokkaa.
Tämän laitteen uudempi versio, theinograph, käyttää viivelinjojen ja useiden klidonografin kaltaisten antureiden yhdistelmää kaapatakseen sarjan "snapshots" -kuvia transientista, jolloin insinöörit voivat kaapata kokonaistransienttiaaltomuodon korkealla jännitteellä.
Vaikka ne lopulta korvattiin nykyaikaisilla elektronisilla laitteilla, inografeja käytettiin 1960-luvulle saakka salaman ja kytkentätransienttien käyttäytymisen tutkimiseen suurjännitesiirtolinjoissa.
Se on nyt tiedossa Lichtenberg-luvut syntyvät kaasujen, eristysnesteiden ja kiinteiden eristeiden sähköisen hajoamisen aikana. Lichtenberg-hahmot voidaan luoda nanosekunneissa, kun eristeeseen kohdistetaan erittäin korkea sähköjännite, tai ne voivat kehittyä useiden vuosien aikana pienten (pienen energian) vikojen sarjan vuoksi.
Lukemattomat osittaiset purkaukset pinnalla tai kiinteiden eristeiden sisällä luovat usein hitaasti kasvavia, osittain johtavia 2D-pinnan Lichtenberg-kuvioita tai sisäisiä 3D-sähköpuita.
2D-sähköpuita löytyy usein saastuneiden voimalinjojen eristeiden pinnalta. 3D-puita voi muodostua myös ihmisen näön ulkopuolelle jääville alueille eristeissä pienten epäpuhtauksien tai onteloiden vuoksi tai paikkoihin, joissa eriste on fyysisesti vaurioitunut.
Koska nämä osittain johtavat puut voivat lopulta aiheuttaa eristeen täydellisen sähkövian, tällaisten "puiden" muodostumisen ja kasvun estäminen niiden juurissa on kriittistä kaikkien suurjännitelaitteiden pitkän aikavälin luotettavuuden kannalta.
Lichtenbergin kirkkaasta muovista valmistetut kolmiulotteiset hahmot loivat ensimmäisen kerran fyysikot Arno Brasch ja Fritz Lange 1940-luvun lopulla. Hiljattain löydettyä elektronikiihdytintä käyttäen he ruiskuttivat biljoonia vapaita elektroneja muovinäytteisiin, mikä aiheutti sähköisen hajoamisen ja hiiltymisen Lichtenbergin sisäisen hahmon muodossa.
Elektronit — pieniä negatiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka pyörivät positiivisesti varautuneiden atomiytimien ympärillä, jotka muodostavat kaiken kondensoidun aineen. Brush ja Lange käyttivät Marxin monen miljoonan dollarin generaattorin suurjännitepulsseja, jotka oli suunniteltu ohjaamaan pulssi-elektronisuihkukiihdytintä.
Niiden kondensaattorilaite voi tuottaa kolmen miljoonan voltin pulsseja ja pystyy luomaan tehokkaan vapaiden elektronien purkauksen uskomattomilla huippuvirroilla, jopa 100 000 ampeeria.
Lähtevän voimakkaan elektronisuihkun luoma voimakkaasti ionisoidun ilman hehkuva alue muistutti rakettimoottorin sinertävän violettia liekkiä.
Täydellinen sarja mustavalkoisia kuvia, mukaan lukien Lichtenberg-hahmot kirkkaassa muovilohkossa, on äskettäin tullut saataville verkossa.