Лихтенбергове фигуре: историја, физички принцип удара
Лихтенбергове фигуре се називају разгранатим, дрволиким узорцима који се добијају пропуштањем високонапонских електричних пражњења на површини или унутар масе диелектричних материјала.
Прве Лихтенбергове фигуре су дводимензионалне, то су фигуре формиране од прашине. Први пут их је посматрао 1777. године немачки физичар – професор Георг Кристоф Лихтенберг... Ваздушна прашина која се таложила на површинама електрично наелектрисаних смолних плоча у његовој лабораторији створила је ове необичне шаре.
Професор је демонстрирао овај феномен својим студентима физике, о овом открићу је говорио иу својим мемоарима. Лихтенберг је о томе писао као о новом методу проучавања природе и кретања електричног флуида.
Нешто слично се може прочитати у Лихтенберговим мемоарима. „Ови узорци се не разликују много од шаблона за гравирање. Понекад се појављују скоро безбројне звезде, Млечни пут и велика сунца. На њиховој конвексној страни сијале су дуге.
Резултат су биле сјајне гранчице сличне онима које се виде када се влага смрзне на прозору. Облаци различитих облика и сенке различите дубине. Али највећи утисак за мене је био да ове бројеве није било лако избрисати јер сам покушао да их избришем било којом од уобичајених метода.
Нисам могао да спречим да облици које сам управо избрисао поново засијају, светлије. На фигуре сам ставио лист црног папира обложен вискозним материјалом и лагано га притиснуо. Тако сам могао да направим отиске фигура, од којих је шест представљено Краљевском друштву.
Ова нова врста аквизиције слике ме је изузетно обрадовала јер сам журила да радим друге ствари и нисам имала ни времена ни жеље да цртам или уништавам све ове цртеже. «
У својим каснијим експериментима, професор Лихтенберг је користио различите високонапонске електростатичке уређаје за пуњење површина широког спектра диелектричних материјала као што су смола, стакло, ебонит...
Затим је прашио мешавином сумпора и оловног тетроксида на наелектрисане површине. Сумпор (који је постао негативно наелектрисан трењем у посуди) је био више привучен позитивно наелектрисаним површинама.
Слично, трењем наелектрисане честице оловног тетроксида које имају позитиван набој привучене су негативно наелектрисаним деловима површине. Обојени прахови дали су претходно невидљивим деловима површински везаних наелектрисања јасан видљив облик и показали њихов поларитет.
Тако је професору постало јасно да су наелектрисане делове површине формирале мале варнице. статички електрицитет… Варнице, док су бљеснуле по површини диелектрика, оставиле су одвојене области његове површине електрично наелектрисане.
Након што се појаве на површини диелектрика, наелектрисања остају тамо доста дуго, пошто сам диелектрик спречава њихово кретање и дисперзију. Поред тога, Лихтенберг је открио да се обрасци позитивних и негативних вредности прашине значајно разликују.
Пражњења произведена позитивно наелектрисаном високонапонском жицом су била звездастог облика са дугим стазама гранања, док су пражњења са негативне електроде била краћа, заобљена, лепезаста и шкољкаста.
Пажљиво стављајући листове папира на прашњаве површине, Лихтенберг је открио да може да пренесе слике на папир. Тако су се временом формирали савремени процеси ксерографије и ласерске штампе.Он је основао физику која је од Лихтенбергових барутних фигура еволуирала у модерну науку. о физици плазме.
Многи други физичари, експериментатори и уметници проучавали су Лихтенбергове фигуре током наредних две стотине година. Међу значајним истраживачима 19. и 20. века били су и физичари Гастон Планте и Петер Т. Риесс.
Крајем 19. века француски уметник и научник Етјен Леополд Троуваук створио «Трувело фигуре» — сада познат као Лихтенбергове фотографске фигуре - Користећи Румкорф цоил као извор високог напона.
Други истраживачи су били Томас Бартон Кинрајд и професори Карл Едвард Магнусон, Максимилијан Топлер, П.О. Педерсен и Артур фон Хипел.
Већина савремених истраживача и уметника користила је фотографски филм да директно ухвати слабу светлост коју емитује електрична пражњења.
Богати енглески индустријалац и истраживач високог напона, Лорд Вилијам Г. Армстронг објавио две одличне књиге у боји које представљају нека од његових истраживања о високом напону и Лихтенберговим фигурама.
Иако су ове књиге сада прилично мале, копија прве Армстронгове књиге, Електрично кретање у ваздуху и води са теоријским закључцима, постала је доступна захваљујући љубазним напорима Џефа Бехарија у Музеју електротерапије на прелазу века.
Средином 1920-их, фон Хипел је то открио Лихтенбергове фигуре су заправо резултат сложених интеракција између коронских пражњења, или сићушних електричних искри које се називају струјачи, и диелектричне површине испод.
Електрична пражњења примењују одговарајуће "шаблоне" електричног набоја на диелектричну површину испод, где се привремено везују. Фон Хипел је такође открио да повећање примењеног напона или смањење притиска околног гаса доводи до повећања дужине и пречника појединачних путања.
Питер Рис је открио да је пречник позитивне Лихтенбергове фигуре око 2,8 пута већи од пречника негативне фигуре добијене при истом напону.
Односи између величине Лихтенбергових фигура као функције напона и поларитета коришћени су у раним инструментима за мерење и снимање високог напона, као што је клидонограф, за мерење и вршног напона и поларитета високонапонских импулса.
Клидонограф, који се понекад назива и "Лицхтенберг камера", може фотографски снимити величину и облик Лицхтенбергових фигура узрокованих аномалним електричним ударима. дуж далековода услед муње.
Клидонографска мерења омогућила су истраживачима муње и пројектантима електроенергетских система 1930-их и 1940-их да прецизно измере напоне изазване громом, пружајући тако важне информације о електричним карактеристикама муње.
Ова информација омогућила је инжењерима енергетике да у лабораторији створе „вештачку муњу” сличних карактеристика како би могли да тестирају ефикасност различитих приступа громобранској заштити. Од тада је громобранска заштита постала саставни део пројектовања свих савремених преносних и дистрибутивних система.
На слици су приказани примери клидонограма позитивних и негативних високонапонских транзијента са различитим амплитудама у зависности од поларитета. Приметите како су позитивне Лихтенбергове фигуре већег пречника од негативних фигура, док су вршни напони исте величине.
Новија верзија овог уређаја, теинограф, користи комбинацију линија кашњења и више сензора сличних клидонографу да сними серију временских „снимки“ пролазног стања, омогућавајући инжењерима да сниме укупни пролазни таласни облик помоћу високог напона.
Иако су на крају били замењени модерном електронском опремом, теинографи су наставили да се користе до 1960-их за проучавање понашања муња и прелазних стања на високонапонским далеководима.
Сада је познато да Лихтенбергове фигуре настају током електричног распада гасова, изолационих течности и чврстих диелектрика. Лихтенбергове фигуре се могу створити у наносекундама када се на диелектрик примени веома висок електрични напон, или се могу развити током неколико година услед низа малих (нискоенергетских) кварова.
Безброј делимичних пражњења на површини или унутар чврстих диелектрика често стварају споро растуће, делимично проводљиве 2Д површинске Лицхтенберг фигуре или унутрашње 3Д електричне стабла.
2Д електрична стабла се често налазе на површини контаминираних изолатора далековода. 3Д стабла се такође могу формирати у областима скривеним од људског вида у изолаторима због присуства малих нечистоћа или шупљина, или на местима где је изолатор физички оштећен.
Пошто ова делимично проводљива стабла могу на крају да изазову потпуни електрични квар изолатора, спречавање формирања и раста таквих „дрвета“ у њиховим коренима је кључно за дугорочну поузданост све високонапонске опреме.
Лихтенбергове тродимензионалне фигуре од прозирне пластике први су креирали физичари Арно Браш и Фриц Ланге касних 1940-их. Користећи свој новооткривени акцелератор електрона, убризгали су трилионе слободних електрона у пластичне узорке, узрокујући електрични слом и угљенисање у облику унутрашње Лихтенбергове фигуре.
Електрони — мале негативно наелектрисане честице које се окрећу око позитивно наелектрисаних језгара атома који чине сву кондензовану материју. Брусх и Ланге су користили високонапонске импулсе из Марксовог мултимилионског генератора дизајнираног да покреће импулсни акцелератор снопа електрона.
Њихов кондензаторски уређај може да генерише импулсе од три милиона волти и способан је да створи снажно пражњење слободних електрона са невероватним вршним струјама до 100.000 ампера.
Светлећа област високо јонизованог ваздуха створена одлазећим снопом електрона велике струје подсећала је на плавичасто-љубичасти пламен ракетног мотора.
Комплетан сет црно-белих слика, укључујући Лицхтенбергове фигуре у прозирном пластичном блоку, недавно је постао доступан на мрежи.