Lichtenberg figure: kasaysayan, pisikal na prinsipyo ng epekto

Ang mga figure ng Lichtenberg ay tinatawag na branched, tree-like patterns na nakuha sa pamamagitan ng pagpasa ng high-voltage electrical discharges sa ibabaw o sa loob ng bulk ng mga dielectric na materyales.

Ang mga unang figure ni Lichtenberg ay two-dimensional, sila ay mga figure na nabuo mula sa alikabok. Sa unang pagkakataon ay naobserbahan sila noong 1777 ng isang German physicist - propesor George Christoph Lichtenberg… Ang airborne dust na naninirahan sa mga ibabaw ng de-koryenteng sisingilin na mga resin plate sa kanyang laboratoryo ay lumikha ng mga hindi pangkaraniwang pattern na ito.

Ipinakita ng propesor ang hindi pangkaraniwang bagay na ito sa kanyang mga mag-aaral sa pisika, binanggit din niya ang pagtuklas na ito sa kanyang mga memoir. Isinulat ito ni Lichtenberg bilang isang bagong paraan ng pag-aaral ng kalikasan at paggalaw ng isang electric fluid.

Ang isang katulad na bagay ay mababasa sa mga memoir ni Lichtenberg. "Ang mga pattern na ito ay hindi masyadong naiiba sa pattern ng pag-ukit. Minsan may lumilitaw na halos hindi mabilang na mga bituin, ang Milky Way at ang mga dakilang araw. Ang mga bahaghari ay kumikinang sa kanilang matambok na bahagi.

Ang resulta ay makintab na sanga na katulad ng makikita kapag nag-freeze ang kahalumigmigan sa bintana. Mga ulap na may iba't ibang hugis at anino ng iba't ibang lalim. Ngunit ang pinakamalaking impresyon para sa akin ay ang mga numerong ito ay hindi madaling burahin dahil sinubukan kong burahin ang mga ito sa alinman sa mga karaniwang pamamaraan.

Hindi ko na napigilan ang mga hugis na nabura ko na muling kumikinang, mas maliwanag. Naglagay ako ng isang sheet ng itim na papel na pinahiran ng malapot na materyal sa mga figure at pinindot ito nang bahagya. Kaya't nakagawa ako ng mga kopya ng mga numero, anim sa mga ito ay ipinakita sa Royal Society.

Ang bagong uri ng pagkuha ng imahe ay lubos na nagpasaya sa akin dahil nagmamadali akong gumawa ng iba pang mga bagay at wala akong oras o pagnanais na iguhit o sirain ang lahat ng mga guhit na ito. «

Sa kanyang kasunod na mga eksperimento, ginamit ni Propesor Lichtenberg ang iba't ibang mga high voltage electrostatic device upang singilin ang mga ibabaw ng iba't ibang uri ng mga dielectric na materyales tulad ng resin, salamin, ebonite...

Pagkatapos ay nilagyan niya ng alikabok ang pinaghalong sulfur at lead tetroxide sa mga naka-charge na ibabaw. Ang sulfur (na naging negatibong sisingilin ng friction sa lalagyan) ay mas naakit sa mga positibong sisingilin na ibabaw.

Gayundin, ang mga frictionally charged lead tetroxide particle na may positibong singil ay naaakit sa negatibong sisingilin na mga rehiyon ng ibabaw. Ang mga may kulay na pulbos ay nagbigay sa mga dating hindi nakikitang rehiyon ng mga charge na nakatali sa ibabaw ng isang malinaw na nakikitang hugis at ipinakita ang kanilang polarity.

Kaya naging malinaw sa propesor na ang mga sisingilin na seksyon ng ibabaw ay nabuo sa pamamagitan ng maliliit na spark. static na kuryente… Ang mga spark, habang sila ay kumikislap sa ibabaw ng dielectric, ay nag-iwan ng magkakahiwalay na bahagi ng ibabaw nito na may kuryente.

Matapos lumitaw sa ibabaw ng dielectric, ang mga singil ay nananatili doon sa loob ng mahabang panahon, dahil ang dielectric mismo ay pumipigil sa kanilang paggalaw at pagpapakalat. Bilang karagdagan, natagpuan ni Lichtenberg na ang mga pattern ng positibo at negatibong mga halaga ng alikabok ay makabuluhang naiiba.

Ang mga discharges na ginawa ng positively charged high-voltage wire ay hugis-bituin na may mahabang sumasanga na mga landas, habang ang mga discharges mula sa negatibong electrode ay mas maikli, bilugan, hugis-fan, at parang shell.

Sa maingat na paglalagay ng mga sheet ng papel sa maalikabok na ibabaw, natuklasan ni Lichtenberg na maaari niyang ilipat ang mga imahe sa papel. Kaya, ang mga makabagong proseso ng xerography at laser printing ay nabuo sa kalaunan. Itinatag niya ang physics na umunlad mula sa mga pulbos na figure ni Lichtenberg tungo sa modernong agham. sa plasma physics.

Maraming iba pang physicist, experimenter, at artist ang nag-aral ng mga figure ni Lichtenberg sa susunod na dalawang daang taon. Ang mga kilalang mananaliksik noong ika-19 at ika-20 siglo ay kinabibilangan ng mga pisiko Gaston Plante at Peter T. Riess.

Sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, isang Pranses na artista at siyentipiko Etienne Leopold Trouvaux nilikha "Mga Truvelo Figure" — kilala ngayon bilang Lichtenberg photographic figure — gamit Rumkorf coil bilang isang mapagkukunan ng mataas na boltahe.

Ang iba pang mga mananaliksik ay sina Thomas Burton Kinreid at Propesor Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen at Arthur von Hippel.

Karamihan sa mga modernong mananaliksik at artist ay gumamit ng photographic film upang direktang makuha ang mahinang liwanag na ibinubuga ni mga paglabas ng kuryente.

Isang mayamang Ingles na industriyalista at high voltage researcher, Lord William G. Armstrong nag-publish ng dalawang mahusay na full-color na mga libro na nagpapakita ng ilan sa kanyang pananaliksik sa mataas na boltahe at Lichtenberg figure.

Bagama't ang mga aklat na ito ay medyo maliit na ngayon, ang isang kopya ng unang aklat ni Armstrong, ang Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, ay ginawang available sa pamamagitan ng mabubuting pagsisikap ni Geoff Beharry sa Museum of Electrotherapy sa pagsisimula ng siglo.

Noong kalagitnaan ng 1920s, natuklasan iyon ni von Hippel Ang mga numero ng Lichtenberg ay talagang resulta ng mga kumplikadong pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga paglabas ng corona, o maliliit na mga spark ng kuryente na tinatawag na mga streamer, at ang dielectric na ibabaw sa ibaba.

Ang mga electrical discharge ay naglalapat ng kaukulang "mga pattern" ng electrical charge sa dielectric na ibabaw sa ibaba, kung saan sila ay pansamantalang nagbubuklod. Nalaman din ni Von Hippel na ang pagtaas ng inilapat na boltahe o pagbaba ng presyon ng nakapalibot na gas ay humantong sa pagtaas sa haba at diameter ng mga indibidwal na landas.

Nalaman ni Peter Ries na ang diameter ng positive Lichtenberg figure ay humigit-kumulang 2.8 beses ang diameter ng negatibong figure na nakuha sa parehong boltahe.

Ang mga ugnayan sa pagitan ng laki ng mga figure ng Lichtenberg bilang isang function ng boltahe at polarity ay ginamit sa maagang pagsukat ng mataas na boltahe at mga instrumento sa pagre-record, tulad ng clidonograph, upang sukatin ang parehong peak voltage at ang polarity ng mga high voltage pulse.

Ang clidonograph, na kung minsan ay tinatawag na "Lichtenberg camera," ay maaaring makuhanan ng litrato ang laki at hugis ng mga figure ng Lichtenberg na dulot ng mga maanomalyang electrical surge. kasama ang mga linya ng kuryente dahil sa mga kidlat.

Ang mga pagsukat ng clidonographic ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik ng kidlat at mga taga-disenyo ng power system noong 1930s at 1940s upang tumpak na sukatin ang mga boltahe na dulot ng kidlat, sa gayon ay nagbibigay ng mahalagang impormasyon tungkol sa mga katangian ng kuryente ng kidlat.

Ang impormasyong ito ay nagpapahintulot sa mga power engineer na lumikha ng "artipisyal na kidlat" na may katulad na mga katangian sa laboratoryo upang masubukan nila ang pagiging epektibo ng iba't ibang mga diskarte sa proteksyon ng kidlat. Simula noon, ang proteksyon sa kidlat ay naging mahalagang bahagi ng disenyo ng lahat ng modernong transmission at distribution system.

Ang figure ay nagpapakita ng mga halimbawa ng clidonograms ng positibo at negatibong high voltage transient na may iba't ibang amplitude depende sa polarity. Pansinin kung paano mas malaki ang diameter ng mga positive Lichtenberg figure kaysa sa mga negatibong figure, habang ang peak voltages ay pareho ang magnitude.

Ang isang mas bagong bersyon ng device na ito, ang theinograph, ay gumagamit ng kumbinasyon ng mga delay lines at maraming clidonograph-like sensor para kumuha ng serye ng time-lapse na "mga snapshot" ng isang lumilipas, na nagpapahintulot sa mga inhinyero na makuha ang pangkalahatang transient waveform na may Mataas na boltahe.

Bagama't sa kalaunan ay pinalitan sila ng modernong elektronikong kagamitan, ang mga inograpo ay patuloy na ginamit noong dekada 1960 upang pag-aralan ang pag-uugali ng kidlat at paglipat ng mga transient sa mataas na boltahe na mga linya ng paghahatid.

Alam na ngayon na Ang mga numero ng Lichtenberg ay nangyayari sa panahon ng electrical breakdown ng mga gas, insulating liquid, at solid dielectrics. Ang mga numero ng Lichtenberg ay maaaring gawin sa mga nanosecond kapag ang isang napakataas na boltahe ng kuryente ay inilapat sa dielectric, o maaari silang bumuo sa loob ng ilang taon dahil sa isang serye ng maliit (mababang enerhiya) na mga pagkabigo.

Ang hindi mabilang na mga partial discharge sa ibabaw o sa loob ng solid dielectrics ay kadalasang lumilikha ng mabagal na paglaki, bahagyang nagsasagawa ng 2D surface Lichtenberg figure o panloob na 3D electrical tree.

Ang mga 2D na puno ng kuryente ay madalas na matatagpuan sa ibabaw ng mga kontaminadong insulator ng linya ng kuryente. Ang mga 3D tree ay maaari ding mabuo sa mga lugar na nakatago sa paningin ng tao sa mga insulator dahil sa pagkakaroon ng maliliit na dumi o mga void, o sa mga lugar kung saan ang insulator ay pisikal na napinsala.

Dahil ang mga bahagyang nagsasagawa ng mga punong ito ay maaaring magdulot ng kumpletong electrical failure ng insulator, ang pagpigil sa pagbuo at paglaki ng naturang "mga puno" sa kanilang mga ugat ay kritikal sa pangmatagalang pagiging maaasahan ng lahat ng high-voltage na kagamitan.

Ang mga three-dimensional na figure ng Lichtenberg sa malinaw na plastik ay unang nilikha ng mga physicist na sina Arno Brasch at Fritz Lange noong huling bahagi ng 1940s. Gamit ang kanilang bagong natuklasang electron accelerator, nag-inject sila ng trilyon na libreng electron sa mga plastic sample, na nagdulot ng pagkasira ng kuryente at pagkasunog sa hugis ng panloob na pigura ng Lichtenberg.

Mga electron — maliliit na negatibong sisingilin na mga particle na umiikot sa positibong sisingilin na nuclei ng mga atom na bumubuo sa lahat ng condensed matter. Gumamit si Brush at Lange ng mga high-voltage pulse mula sa multimillion-dollar generator ni Marx na idinisenyo upang magmaneho ng pulsed electron beam accelerator.

Ang kanilang capacitor device ay maaaring makabuo ng mga pulso ng tatlong milyong volts at may kakayahang lumikha ng isang malakas na paglabas ng mga libreng electron na may hindi kapani-paniwalang peak currents na hanggang 100,000 amperes.

Ang kumikinang na rehiyon ng mataas na ionized na hangin na nilikha ng papalabas na high-current electron beam ay kahawig ng mala-bughaw-violet na apoy ng isang rocket engine.

Ang kumpletong hanay ng mga itim at puting larawan, kabilang ang mga numero ng Lichtenberg sa isang malinaw na plastic block, ay naging available kamakailan online.