Tokoh Lichtenberg: sejarah, prinsip fizikal kesan

Angka Lichtenberg dipanggil bercabang, corak seperti pokok yang diperoleh dengan menghantar nyahcas elektrik voltan tinggi pada permukaan atau di dalam sebahagian besar bahan dielektrik.

Angka pertama Lichtenberg adalah dua dimensi, ia adalah angka yang terbentuk daripada debu. Buat pertama kalinya mereka diperhatikan pada tahun 1777 oleh seorang ahli fizik Jerman - profesor Georg Christoph Lichtenberg… Debu bawaan udara yang mengendap pada permukaan plat resin bercas elektrik di makmalnya mencipta corak luar biasa ini.

Profesor itu menunjukkan fenomena ini kepada pelajar fiziknya, dia juga bercakap tentang penemuan ini dalam memoirnya. Lichtenberg menulis tentang ini sebagai kaedah baru untuk mengkaji sifat dan gerakan bendalir elektrik.

Sesuatu yang serupa boleh dibaca dalam memoir Lichtenberg. “Corak ini tidak jauh berbeza dengan corak ukiran. Kadang-kadang terdapat bintang yang hampir tidak terkira banyaknya, Bima Sakti dan matahari yang hebat. Pelangi bersinar di bahagian cembungnya.

Hasilnya adalah ranting berkilat serupa dengan yang dapat dilihat apabila kelembapan membeku pada tingkap. Awan pelbagai bentuk dan bayang-bayang kedalaman yang berbeza. Tetapi tanggapan terbesar bagi saya ialah nombor ini tidak mudah dipadamkan kerana saya cuba memadamkannya dengan mana-mana kaedah biasa.

Saya tidak dapat menghalang bentuk yang baru saya padam daripada bersinar semula, lebih cerah. Saya meletakkan helaian kertas hitam yang disalut dengan bahan likat pada rajah dan menekannya perlahan. Oleh itu, saya dapat membuat cetakan angka, enam daripadanya telah dipersembahkan kepada Royal Society.

Pemerolehan imej jenis baharu ini membuatkan saya sangat gembira kerana saya tergesa-gesa untuk melakukan perkara lain dan tidak mempunyai masa mahupun keinginan untuk melukis atau memusnahkan semua lukisan ini. «

Dalam eksperimen seterusnya, Profesor Lichtenberg menggunakan pelbagai peranti elektrostatik voltan tinggi untuk mengecas permukaan pelbagai jenis bahan dielektrik seperti resin, kaca, ebonit...

Dia kemudian menyapu campuran sulfur dan plumbum tetroksida pada permukaan bercas. Sulfur (yang menjadi bercas negatif oleh geseran dalam bekas) lebih tertarik kepada permukaan bercas positif.

Begitu juga, zarah plumbum tetroksida bercas geseran yang mempunyai cas positif tertarik ke kawasan permukaan bercas negatif. Serbuk berwarna memberikan kawasan cas terikat permukaan yang tidak kelihatan sebelum ini bentuk yang jelas kelihatan dan menunjukkan kekutubannya.

Oleh itu, menjadi jelas kepada profesor bahawa bahagian permukaan yang bercas dibentuk oleh percikan api kecil. elektrik statik… Percikan api, semasa ia memancar melintasi permukaan dielektrik, meninggalkan kawasan berasingan permukaannya bercas elektrik.

Selepas muncul di permukaan dielektrik, cas kekal di sana untuk masa yang agak lama, kerana dielektrik itu sendiri menghalang pergerakan dan penyebarannya. Di samping itu, Lichtenberg mendapati bahawa corak nilai habuk positif dan negatif adalah berbeza dengan ketara.

Nyahcas yang dihasilkan oleh wayar voltan tinggi bercas positif berbentuk bintang dengan laluan bercabang panjang, manakala nyahcas daripada elektrod negatif lebih pendek, bulat, berbentuk kipas dan seperti cangkerang.

Dengan meletakkan helaian kertas dengan berhati-hati pada permukaan berdebu, Lichtenberg mendapati bahawa dia boleh memindahkan imej ke atas kertas. Oleh itu, proses moden xerografi dan percetakan laser akhirnya terbentuk.Beliau mengasaskan fizik yang berkembang daripada figura serbuk Lichtenberg kepada sains moden. mengenai fizik plasma.

Ramai ahli fizik, penguji, dan artis lain mengkaji angka Lichtenberg selama dua ratus tahun akan datang. Penyelidik terkenal pada abad ke-19 dan ke-20 termasuk ahli fizik Gaston Plante dan Peter T. Riess.

Pada akhir abad ke-19, seorang artis dan saintis Perancis Etienne Leopold Trouvaux dicipta «Angka Truvelo» - kini dikenali sebagai Tokoh fotografi Lichtenberg — menggunakan Gegelung Rumkorf sebagai sumber voltan tinggi.

Penyelidik lain ialah Thomas Burton Kinreid dan Profesor Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen dan Arthur von Hippel.

Kebanyakan penyelidik dan artis moden telah menggunakan filem fotografi untuk menangkap secara langsung cahaya samar yang dipancarkan oleh nyahcas elektrik.

Seorang perindustrian Inggeris yang kaya dan penyelidik voltan tinggi, Lord William G. Armstrong menerbitkan dua buku penuh warna yang sangat baik yang membentangkan beberapa penyelidikannya mengenai voltan tinggi dan angka Lichtenberg.

Walaupun buku-buku ini kini agak kecil, salinan buku pertama Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, telah disediakan melalui usaha baik Geoff Beharry di Muzium Elektroterapi pada permulaan abad ini.

Pada pertengahan 1920-an, von Hippel menemuinya Angka Lichtenberg sebenarnya adalah hasil interaksi kompleks antara nyahcas korona, atau percikan elektrik kecil yang dipanggil pita, dan permukaan dielektrik di bawah.

Nyahcas elektrik menggunakan "corak" cas elektrik yang sepadan pada permukaan dielektrik di bawah, di mana ia terikat buat sementara waktu. Von Hippel juga mendapati bahawa meningkatkan voltan yang dikenakan atau mengurangkan tekanan gas di sekeliling membawa kepada peningkatan dalam panjang dan diameter laluan individu.

Peter Ries mendapati bahawa diameter angka Lichtenberg positif adalah kira-kira 2.8 kali diameter angka negatif yang diperoleh pada voltan yang sama.

Hubungan antara saiz angka Lichtenberg sebagai fungsi voltan dan kekutuban digunakan dalam pengukuran voltan tinggi awal dan instrumen rakaman, seperti clidonograph, untuk mengukur kedua-dua voltan puncak dan kekutuban denyutan voltan tinggi.

Klidonograf, kadangkala dipanggil "kamera Lichtenberg," secara fotografi boleh menangkap saiz dan bentuk angka Lichtenberg yang disebabkan oleh lonjakan elektrik yang tidak normal. sepanjang talian kuasa disebabkan oleh panahan kilat.

Pengukuran Klidonografi membolehkan penyelidik kilat dan pereka sistem kuasa pada tahun 1930-an dan 1940-an untuk mengukur voltan akibat kilat dengan tepat, dengan itu memberikan maklumat penting tentang ciri elektrik kilat.

Maklumat ini membenarkan jurutera kuasa mencipta "kilat buatan" dengan ciri-ciri yang serupa di dalam makmal supaya mereka boleh menguji keberkesanan pendekatan yang berbeza untuk perlindungan kilat. Sejak itu, perlindungan kilat telah menjadi sebahagian daripada reka bentuk semua sistem penghantaran dan pengedaran moden.

Rajah menunjukkan contoh klidonogram transien voltan tinggi positif dan negatif dengan amplitud berbeza bergantung kepada kekutuban. Perhatikan bagaimana angka Lichtenberg positif adalah diameter yang lebih besar daripada angka negatif, manakala voltan puncak adalah pada magnitud yang sama.

Versi peranti ini yang lebih baharu, theinograph, menggunakan gabungan garis lengah dan berbilang penderia seperti klidonograf untuk menangkap satu siri "gambar" selang masa bagi sesuatu sementara, yang membolehkan jurutera menangkap keseluruhan bentuk gelombang sementara dengan voltan Tinggi.

Walaupun ia akhirnya digantikan oleh peralatan elektronik moden, theinograf terus digunakan sehingga tahun 1960-an untuk mengkaji kelakuan kilat dan menukar transien pada talian penghantaran voltan tinggi.

Ia kini diketahui bahawa Angka Lichtenberg berlaku semasa kerosakan elektrik gas, cecair penebat, dan dielektrik pepejal. Angka Lichtenberg boleh dicipta dalam nanosaat apabila voltan elektrik yang sangat tinggi digunakan pada dielektrik, atau ia boleh berkembang selama beberapa tahun disebabkan oleh satu siri kegagalan kecil (tenaga rendah).

Nyahcas separa yang tidak terkira banyaknya di permukaan atau dalam dielektrik pepejal sering menghasilkan angka Lichtenberg permukaan 2D yang tumbuh perlahan, atau pepohon elektrik 3D dalaman.

Pokok elektrik 2D sering dijumpai pada permukaan penebat talian kuasa yang tercemar. Pokok 3D juga boleh terbentuk di kawasan yang tersembunyi daripada penglihatan manusia dalam penebat kerana kehadiran kekotoran atau lompang kecil, atau di tempat di mana penebat rosak secara fizikal.

Memandangkan pokok yang mengalir separa ini akhirnya boleh menyebabkan kegagalan elektrik sepenuhnya bagi penebat, menghalang pembentukan dan pertumbuhan "pokok" sedemikian pada akarnya adalah penting untuk kebolehpercayaan jangka panjang semua peralatan voltan tinggi.

Angka tiga dimensi Lichtenberg dalam plastik jernih pertama kali dicipta oleh ahli fizik Arno Brasch dan Fritz Lange pada akhir 1940-an. Menggunakan pemecut elektron mereka yang baru ditemui, mereka menyuntik trilion elektron bebas ke dalam sampel plastik, menyebabkan kerosakan elektrik dan hangus dalam bentuk angka Lichtenberg dalam.

Elektron — zarah bercas negatif kecil yang berputar mengelilingi nukleus atom bercas positif yang membentuk semua jirim pekat. Brush dan Lange menggunakan denyutan voltan tinggi daripada penjana berjuta-juta dolar Marx yang direka untuk memacu pemecut rasuk elektron berdenyut.

Peranti kapasitor mereka boleh menjana denyutan sebanyak tiga juta volt dan mampu mencipta pelepasan elektron bebas yang kuat dengan arus puncak yang luar biasa sehingga 100,000 ampere.

Kawasan bercahaya udara terion tinggi yang dicipta oleh pancaran elektron arus tinggi yang keluar menyerupai nyalaan ungu kebiruan enjin roket.

Set lengkap imej hitam dan putih, termasuk angka Lichtenberg dalam blok plastik jernih, baru-baru ini tersedia dalam talian.