Lichtenberg-figuren: geschiedenis, natuurkundig principe van impact
Lichtenberg-figuren worden vertakte, boomachtige patronen genoemd die worden verkregen door elektrische hoogspanningsontladingen op het oppervlak of in het grootste deel van diëlektrische materialen door te laten.
Lichtenbergs eerste figuren zijn tweedimensionaal, het zijn figuren gevormd uit stof. Voor het eerst werden ze in 1777 waargenomen door een Duitse natuurkundige - professor Georg Christoph Lichtenberg… Stof in de lucht dat neerdaalde op de oppervlakken van elektrisch geladen harsplaten in zijn laboratorium creëerde deze ongewone patronen.
De professor demonstreerde dit fenomeen aan zijn natuurkundestudenten, hij vertelde ook over deze ontdekking in zijn memoires. Lichtenberg schreef hierover als een nieuwe methode om de aard en beweging van een elektrische vloeistof te bestuderen.
Iets soortgelijks is te lezen in de memoires van Lichtenberg. “Deze patronen verschillen niet veel van het graveerpatroon. Soms verschijnen er bijna ontelbare sterren, de Melkweg en de grote zonnen. Regenbogen schitterden op hun bolle kant.
Het resultaat was glimmende twijgjes die lijken op de twijgen die te zien zijn wanneer vocht op een raam bevriest. Wolken van verschillende vormen en schaduwen van verschillende diepten. Maar de grootste indruk voor mij was dat deze nummers niet gemakkelijk te wissen waren, omdat ik ze op een van de gebruikelijke manieren probeerde te wissen.
Ik kon niet voorkomen dat de vormen die ik zojuist had gewist weer gingen gloeien, helderder. Ik legde een vel zwart papier bedekt met stroperig materiaal op de figuren en drukte het lichtjes aan. Zo kon ik afdrukken maken van figuren, waarvan er zes werden aangeboden aan de Royal Society.
Dit nieuwe type beeldverwerving maakte me buitengewoon gelukkig omdat ik haast had om andere dingen te doen en noch de tijd noch de wens had om al deze tekeningen te tekenen of te vernietigen. «
In zijn daaropvolgende experimenten gebruikte professor Lichtenberg verschillende elektrostatische hoogspanningsapparaten om de oppervlakken van een grote verscheidenheid aan diëlektrische materialen op te laden, zoals hars, glas, eboniet...
Vervolgens bestuifde hij een mengsel van zwavel en loodtetroxide op de geladen oppervlakken. De zwavel (die door wrijving in de houder negatief geladen werd) werd meer aangetrokken door de positief geladen oppervlakken.
Evenzo werden door wrijving geladen loodtetroxidedeeltjes die een positieve lading hebben, aangetrokken door negatief geladen delen van het oppervlak. De gekleurde poeders gaven de voorheen onzichtbare gebieden van oppervlaktegebonden ladingen een duidelijk zichtbare vorm en toonden hun polariteit.
Zo werd het de professor duidelijk dat de geladen delen van het oppervlak werden gevormd door kleine vonken. statische elektriciteit… De vonken, terwijl ze over het oppervlak van het diëlektricum flitsten, lieten afzonderlijke delen van het oppervlak elektrisch geladen achter.
Nadat ze op het oppervlak van het diëlektricum zijn verschenen, blijven de ladingen daar vrij lang, omdat het diëlektricum zelf hun beweging en verspreiding verhindert. Bovendien ontdekte Lichtenberg dat de patronen van positieve en negatieve stofwaarden significant verschilden.
De ontladingen geproduceerd door de positief geladen hoogspanningsdraad waren stervormig met lange vertakkingspaden, terwijl de ontladingen van de negatieve elektrode korter, afgerond, waaiervormig en schelpachtig waren.
Door voorzichtig vellen papier op de stoffige oppervlakken te leggen, ontdekte Lichtenberg dat hij beelden op papier kon overbrengen. Zo werden uiteindelijk de moderne processen van xerografie en laserprinten gevormd.Hij richtte de fysica op die evolueerde van Lichtenbergs poederfiguren naar moderne wetenschap. over plasmafysica.
Veel andere natuurkundigen, onderzoekers en kunstenaars bestudeerden de figuren van Lichtenberg gedurende de volgende tweehonderd jaar. Opmerkelijke onderzoekers uit de 19e en 20e eeuw waren onder meer natuurkundigen Gaston Plante En Peter T. Riess.
Aan het einde van de 19e eeuw een Franse kunstenaar en wetenschapper Etienne Leopold Trouvaux gemaakt «Truvelo-figuren» - nu bekend als Lichtenberg fotografische figuren - gebruik makend van Rumkorf spoel als hoogspanningsbron.
Andere onderzoekers waren Thomas Burton Kinreid en professoren Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen en Arthur von Hippel.
De meeste moderne onderzoekers en kunstenaars hebben fotografische film gebruikt om het zwakke licht dat wordt uitgestraald direct vast te leggen elektrische ontladingen.
Een rijke Engelse industrieel en hoogspanningsonderzoeker, Lord William G Armstrong publiceerde twee uitstekende full-color boeken die een deel van zijn onderzoek naar hoogspannings- en Lichtenberg-figuren presenteren.
Hoewel deze boeken nu vrij klein zijn, werd een exemplaar van Armstrongs eerste boek, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, beschikbaar gesteld door de vriendelijke inspanningen van Geoff Beharry in het Museum of Electrotherapy rond de eeuwwisseling.
Halverwege de jaren twintig ontdekte Von Hippel dat Lichtenberg-figuren zijn eigenlijk het resultaat van complexe interacties tussen corona-ontladingen, of kleine elektrische vonken die streamers worden genoemd, en het diëlektrische oppervlak eronder.
De elektrische ontladingen passen overeenkomstige "patronen" van elektrische lading toe op het diëlektrische oppervlak eronder, waar ze zich tijdelijk hechten. Von Hippel ontdekte ook dat het verhogen van de aangelegde spanning of het verlagen van de druk van het omringende gas leidde tot een toename van de lengte en diameter van de individuele paden.
Peter Ries ontdekte dat de diameter van de positieve Lichtenberg-figuur ongeveer 2,8 keer de diameter was van de negatieve figuur die bij dezelfde spanning werd verkregen.
Relaties tussen de grootte van Lichtenberg-figuren als functie van spanning en polariteit werden gebruikt in vroege hoogspanningsmeet- en opname-instrumenten, zoals de clidonograaf, om zowel de piekspanning als de polariteit van hoogspanningspulsen te meten.
De clidonograaf, ook wel de "Lichtenberg-camera" genoemd, kan fotografisch de grootte en vorm van Lichtenberg-figuren vastleggen die worden veroorzaakt door abnormale elektrische spanningspieken. langs hoogspanningslijnen vanwege bliksemschichten.
Clidonografische metingen stelden bliksemonderzoekers en ontwerpers van energiesystemen in de jaren dertig en veertig in staat om door bliksem geïnduceerde spanningen nauwkeurig te meten, waardoor belangrijke informatie werd verkregen over de elektrische eigenschappen van bliksem.
Met deze informatie konden energietechnici "kunstmatige bliksem" met vergelijkbare kenmerken in het laboratorium creëren, zodat ze de effectiviteit van verschillende benaderingen van bliksembeveiliging konden testen. Sindsdien is bliksembeveiliging een integraal onderdeel geworden van het ontwerp van alle moderne transmissie- en distributiesystemen.
De afbeelding toont voorbeelden van clidonogrammen van positieve en negatieve hoogspanningstransiënten met verschillende amplitudes, afhankelijk van de polariteit. Merk op hoe de positieve Lichtenberg-figuren een grotere diameter hebben dan de negatieve cijfers, terwijl de piekspanningen van dezelfde grootte zijn.
Een nieuwere versie van dit apparaat, de theinograph, gebruikt een combinatie van vertragingslijnen en meerdere clidonograph-achtige sensoren om een reeks time-lapse "snapshots" van een transiënt vast te leggen, waardoor ingenieurs de algehele transiënte golfvorm met hoogspanning kunnen vastleggen.
Hoewel ze uiteindelijk werden vervangen door moderne elektronische apparatuur, bleven de inografen tot in de jaren zestig worden gebruikt om het gedrag van bliksem en schakeltransiënten op hoogspanningslijnen te bestuderen.
Dat is inmiddels bekend Lichtenberg-cijfers treden op tijdens elektrische storing van gassen, isolerende vloeistoffen en vaste diëlektrica. Lichtenberg-figuren kunnen in nanoseconden worden gemaakt wanneer een zeer hoge elektrische spanning op het diëlektricum wordt aangelegd, of ze kunnen zich over meerdere jaren ontwikkelen als gevolg van een reeks kleine (lage energie) storingen.
Talloze gedeeltelijke ontladingen aan het oppervlak of in vaste diëlektrica creëren vaak langzaam groeiende, gedeeltelijk geleidende 2D-oppervlak Lichtenberg-figuren of interne 3D-elektrische bomen.
2D-elektrische bomen worden vaak aangetroffen op het oppervlak van verontreinigde isolatoren van hoogspanningslijnen. 3D-bomen kunnen zich ook vormen in gebieden die voor het menselijk zicht verborgen zijn in isolatoren vanwege de aanwezigheid van kleine onzuiverheden of holtes, of op plaatsen waar de isolator fysiek is beschadigd.
Aangezien deze gedeeltelijk geleidende bomen uiteindelijk een volledige elektrische uitval van de isolator kunnen veroorzaken, is het voorkomen van de vorming en groei van dergelijke "bomen" aan hun wortels van cruciaal belang voor de betrouwbaarheid op lange termijn van alle hoogspanningsapparatuur.
De driedimensionale figuren van Lichtenberg in doorzichtig plastic werden eind jaren veertig voor het eerst gemaakt door natuurkundigen Arno Brasch en Fritz Lange. Met behulp van hun nieuw ontdekte elektronenversneller injecteerden ze biljoenen vrije elektronen in plastic monsters, waardoor elektrische storingen en verkoling ontstonden in de vorm van de binnenste Lichtenberg-figuur.
Elektronen — kleine negatief geladen deeltjes die draaien rond de positief geladen kernen van atomen waaruit alle gecondenseerde materie bestaat. Brush en Lange gebruikten hoogspanningspulsen van Marx' generator van meerdere miljoenen dollars, ontworpen om een gepulseerde elektronenstraalversneller aan te drijven.
Hun condensatorapparaat kan pulsen van drie miljoen volt genereren en is in staat om een krachtige ontlading van vrije elektronen te creëren met ongelooflijke piekstromen tot 100.000 ampère.
Het gloeiende gebied van sterk geïoniseerde lucht gecreëerd door de uitgaande hogestroom-elektronenstraal leek op de blauwachtig-paarse vlam van een raketmotor.
De complete set zwart-witafbeeldingen, inclusief Lichtenberg-figuren in een doorzichtig plastic blok, is onlangs online beschikbaar gekomen.