Lihtenbergas figūras: vēsture, ietekmes fiziskais princips
Lihtenberga figūras sauc par sazarotiem, kokiem līdzīgiem rakstiem, kas iegūti, izlaižot augstsprieguma elektriskās izlādes uz dielektrisko materiālu virsmas vai iekšpusē.
Lihtenberga pirmās figūras ir divdimensionālas, tās ir no putekļiem veidotas figūras. Pirmo reizi tos 1777. gadā novēroja vācu fiziķis - profesors Georgs Kristofs Lihtenbergs... Gaisa putekļi, kas nosēdās uz elektriski uzlādētu sveķu plākšņu virsmām viņa laboratorijā, radīja šos neparastos rakstus.
Šo fenomenu profesors demonstrēja saviem fizikas studentiem, par šo atklājumu viņš stāstīja arī savos memuāros. Lihtenbergs to rakstīja kā jaunu metodi elektriskā šķidruma rakstura un kustības izpētei.
Kaut ko līdzīgu var lasīt arī Lihtenberga atmiņās. “Šie raksti īpaši neatšķiras no gravējuma raksta. Dažreiz parādās gandrīz neskaitāmas zvaigznes, Piena ceļš un lielās saules. To izliektajā pusē spīdēja varavīksnes.
Rezultātā tika iegūti spīdīgi zari, kas līdzīgi tiem, ko var redzēt, kad mitrums sasalst uz loga. Dažādu formu mākoņi un dažāda dziļuma ēnas. Bet man vislielākais iespaids bija tas, ka šos skaitļus nebija viegli izdzēst, jo mēģināju tos izdzēst ar kādu no parastajām metodēm.
Es nevarēju atturēt tikko izdzēstās formas, lai tās atkal kvēlotu, spožākas. Uz figūrām uzliku melnu papīra loksni, kas pārklāta ar viskozu materiālu, un to viegli piespiedu. Tādējādi es varēju izgatavot figūru izdrukas, no kurām sešas tika pasniegtas Karaliskajai biedrībai.
Šis jaunais attēlu iegūšanas veids mani ārkārtīgi iepriecināja, jo steidzos darīt citas lietas un nebija ne laika, ne vēlēšanās zīmēt vai iznīcināt visus šos zīmējumus. «
Savos turpmākajos eksperimentos profesors Lihtenbergs izmantoja dažādas augstsprieguma elektrostatiskās ierīces, lai uzlādētu visdažādāko dielektrisko materiālu, piemēram, sveķu, stikla, ebonīta...
Pēc tam viņš uz uzlādētajām virsmām noslaucīja sēra un svina tetroksīda maisījumu. Sērs (kas kļuva negatīvi uzlādēts berzes dēļ traukā) tika vairāk piesaistīts pozitīvi lādētajām virsmām.
Tāpat berzes lādētas svina tetroksīda daļiņas, kurām ir pozitīvs lādiņš, tika piesaistītas negatīvi lādētiem virsmas reģioniem. Krāsainie pulveri iepriekš neredzamajiem ar virsmu saistīto lādiņu apgabaliem piešķīra skaidri redzamu formu un parādīja to polaritāti.
Tā profesoram kļuva skaidrs, ka lādētos virsmas posmus veido mazas dzirksteles. statiskā elektrība… Dzirksteles, zibenot pāri dielektriķa virsmai, atstāja atsevišķas tā virsmas zonas elektriski uzlādētas.
Pēc parādīšanās uz dielektriķa virsmas lādiņi tur paliek diezgan ilgu laiku, jo pats dielektriķis novērš to kustību un izkliedi. Turklāt Lihtenbergs atklāja, ka pozitīvo un negatīvo putekļu vērtību modeļi bija ievērojami atšķirīgi.
Pozitīvi lādētā augstsprieguma stieples radītās izlādes bija zvaigznes formas ar gariem atzarojuma ceļiem, savukārt izlādes no negatīvā elektroda bija īsākas, noapaļotas, vēdekļveida un apvalka formas.
Uzmanīgi novietojot papīra loksnes uz putekļainām virsmām, Lihtenbergs atklāja, ka var pārsūtīt attēlus uz papīra. Tādējādi ar laiku izveidojās mūsdienu kserogrāfijas un lāzerdrukas procesi.Viņš nodibināja fiziku, kas no Lihtenberga pulvera figūrām pārtapa mūsdienu zinātnē. par plazmas fiziku.
Daudzi citi fiziķi, eksperimentētāji un mākslinieki pētīja Lihtenberga figūras nākamo divsimt gadu laikā. Starp ievērojamiem 19. un 20. gadsimta pētniekiem bija arī fiziķi Gastons Plante un Pīters T. Riess.
19. gadsimta beigās franču mākslinieks un zinātnieks Etjēns Leopolds Truvo izveidots "Truvelo figūriņas" — tagad pazīstams kā Lihtenbergas fotogrāfiskās figūras - izmantojot Rumkorf spole kā augstsprieguma avotu.
Citi pētnieki bija Tomass Bērtons Kinreids un profesori Karls Edvards Magnusons, Maksimilians Toplers, P.O. Pedersens un Arturs fon Hipels.
Lielākā daļa mūsdienu pētnieku un mākslinieku ir izmantojuši fotofilmas, lai tieši uztvertu vājo gaismu, ko izstaro elektriskās izlādes.
Bagāts angļu rūpnieks un augstsprieguma pētnieks, Lord Viljams G. Ārmstrongs publicēja divas lieliskas pilnkrāsu grāmatas, kurās ir izklāstīti daži viņa pētījumi par augstsprieguma un Lihtenberga figūrām.
Lai gan šīs grāmatas tagad ir diezgan mazas, Armstronga pirmās grāmatas "Elektriskā kustība gaisā un ūdenī ar teorētiskiem secinājumiem" eksemplārs ar Džefa Bērija laipnajiem centieniem tika darīts pieejams Elektroterapijas muzejā gadsimtu mijā.
20. gadu vidū fon Hipels to atklāja Lihtenberga figūras patiesībā ir sarežģītas mijiedarbības rezultāts starp korona izlādēm jeb sīkām elektriskām dzirkstelēm, ko sauc par straumēm, un dielektrisko virsmu zemāk.
Elektriskās izlādes uzliek atbilstošus elektriskā lādiņa "rakstus" zemāk esošajai dielektriskajai virsmai, kur tās īslaicīgi savienojas. Fon Hipels arī atklāja, ka pielietotā sprieguma palielināšana vai apkārtējās gāzes spiediena samazināšana izraisīja atsevišķu ceļu garuma un diametra palielināšanos.
Pīters Rīss atklāja, ka pozitīvā Lihtenberga figūras diametrs ir aptuveni 2,8 reizes lielāks par negatīvās figūras diametru, kas iegūts pie tāda paša sprieguma.
Attiecības starp Lihtenberga figūru lielumu kā sprieguma un polaritātes funkciju tika izmantotas agrīnos augstsprieguma mērīšanas un ierakstīšanas instrumentos, piemēram, klidonogrāfā, lai izmērītu gan augstsprieguma impulsu maksimālo spriegumu, gan polaritāti.
Klidonogrāfs, ko dažreiz sauc par "Lihtenberga kameru", var fotogrāfiski fiksēt Lihtenbergas figūru izmērus un formu, ko izraisa anomālie elektriskie pārspriegumi. gar elektropārvades līnijām līdz zibens skrūves.
Klidonogrāfiskie mērījumi ļāva zibens pētniekiem un energosistēmu projektētājiem 1930. un 1940. gados precīzi izmērīt zibens izraisītos spriegumus, tādējādi sniedzot svarīgu informāciju par zibens elektriskajiem raksturlielumiem.
Šī informācija ļāva enerģētiķiem laboratorijā izveidot "mākslīgo zibeni" ar līdzīgām īpašībām, lai viņi varētu pārbaudīt dažādu zibensaizsardzības pieeju efektivitāti. Kopš tā laika zibensaizsardzība ir kļuvusi par visu mūsdienu pārvades un sadales sistēmu dizaina neatņemamu sastāvdaļu.
Attēlā parādīti pozitīvo un negatīvo augstsprieguma pāreju klidonogrammu piemēri ar dažādu amplitūdu atkarībā no polaritātes. Ievērojiet, kā pozitīvie Lihtenberga skaitļi ir lielāki diametrā nekā negatīvie skaitļi, bet maksimālais spriegums ir vienāds.
Jaunākā šīs ierīces versija, teinogrāfs, izmanto aizkaves līniju un vairāku klidonogrāfam līdzīgu sensoru kombināciju, lai uzņemtu virkni īslaicīgu "momentuzņēmumu" no pārejas, ļaujot inženieriem tvert kopējo pārejas viļņu formu ar augstu spriegumu.
Lai gan tos galu galā aizstāja modernās elektroniskās iekārtas, teinogrāfus turpināja izmantot 1960. gados, lai pētītu zibens uzvedību un pārslēgšanas pārejas augstsprieguma pārvades līnijās.
Tagad ir zināms, ka Lihtenberga figūras rodas gāzu, izolācijas šķidrumu un cieto dielektriķu elektriskās sadalīšanās laikā. Lihtenberga figūras var izveidot nanosekundēs, kad dielektriķim tiek pielikts ļoti augsts elektriskais spriegums, vai arī tie var attīstīties vairāku gadu laikā virknes mazu (zemas enerģijas) atteici.
Neskaitāmas daļējas izlādes virsmā vai cietos dielektriķos bieži rada lēni augošas, daļēji vadošas 2D virsmas Lihtenberga figūras vai iekšējos 3D elektriskos kokus.
2D elektriskie koki bieži atrodas uz piesārņotu elektrolīniju izolatoru virsmas. 3D koki var veidoties arī vietās, kas ir paslēptas no cilvēka redzes izolatoros nelielu piemaisījumu vai tukšumu klātbūtnes dēļ, vai vietās, kur izolators ir fiziski bojāts.
Tā kā šie daļēji vadošie koki galu galā var izraisīt pilnīgu izolatora elektrisko atteici, šādu "koku" veidošanās un augšanas novēršana to saknēs ir ļoti svarīga visu augstsprieguma iekārtu ilgtermiņa uzticamībai.
Lihtenberga trīsdimensiju figūras caurspīdīgā plastmasā pirmo reizi izveidoja fiziķi Arno Brašs un Frics Lange 1940. gadu beigās. Izmantojot savu jaunatklāto elektronu paātrinātāju, viņi plastmasas paraugos injicēja triljoniem brīvu elektronu, izraisot elektrisko sabrukumu un pārogļošanos Lihtenberga iekšējās figūras formā.
Elektroni — mazas negatīvi lādētas daļiņas, kas griežas ap pozitīvi lādētiem atomu kodoliem, kas veido visu kondensēto vielu. Brush un Lange izmantoja augstsprieguma impulsus no Marksa vairāku miljonu dolāru ģeneratora, kas paredzēts impulsa elektronu staru paātrinātāja darbināšanai.
Viņu kondensatora ierīce var radīt trīs miljonu voltu impulsus un spēj radīt spēcīgu brīvo elektronu izlādi ar neticamu maksimālo strāvu līdz 100 000 ampēriem.
Spēcīgi jonizēta gaisa kvēlojošais apgabals, ko radīja izplūstošais augstas strāvas elektronu stars, atgādināja raķešu dzinēja zilgani violetu liesmu.
Pilns melnbalto attēlu komplekts, ieskaitot Lihtenbergas figūras caurspīdīgā plastmasas blokā, nesen kļuvis pieejams tiešsaistē.