Figures de Lichtenberg: història, principi físic de l'impacte
Les figures de Lichtenberg s'anomenen patrons ramificats, semblants a un arbre, obtinguts fent passar descàrregues elèctriques d'alta tensió a la superfície o a l'interior de la major part dels materials dielèctrics.
Les primeres figures de Lichtenberg són bidimensionals, són figures formades a partir de pols. Per primera vegada van ser observats el 1777 per un físic alemany - professor Georg Christoph Lichtenberg… La pols aerotransportada que es va assentar a les superfícies de plaques de resina carregades elèctricament al seu laboratori va crear aquests patrons inusuals.
El professor va demostrar aquest fenomen als seus estudiants de física, també va parlar d'aquest descobriment a les seves memòries. Lichtenberg va escriure sobre això com un nou mètode per estudiar la naturalesa i el moviment d'un fluid elèctric.
Alguna cosa semblant es pot llegir a les memòries de Lichtenberg. "Aquests patrons no són gaire diferents del patró de gravat. De vegades apareixen gairebé innombrables estrelles, la Via Làctia i els grans sols. Els arcs de Sant Martí brillaven pel seu costat convex.
El resultat van ser branques brillants similars a les que es poden veure quan la humitat es congela a una finestra. Núvols de diferents formes i ombres de diferents profunditats. Però la impressió més gran per a mi va ser que aquests números no eren fàcils d'esborrar perquè vaig intentar esborrar-los amb qualsevol dels mètodes habituals.
No vaig poder evitar que les formes que acabava d'esborrar tornessin a brillar, més brillants. Vaig posar un full de paper negre recobert de material viscós sobre les figures i el vaig pressionar lleugerament. Així vaig poder fer impressions de figures, sis de les quals es van presentar a la Royal Society.
Aquest nou tipus d'adquisició d'imatges em va fer molt feliç perquè tenia pressa per fer altres coses i no tenia ni temps ni ganes de dibuixar o destruir tots aquests dibuixos. «
En els seus experiments posteriors, el professor Lichtenberg va utilitzar diversos dispositius electrostàtics d'alta tensió per carregar les superfícies d'una gran varietat de materials dielèctrics com la resina, el vidre, l'ebonita...
Després va espolsar una barreja de sofre i tetròxid de plom a les superfícies carregades. El sofre (que es va carregar negativament per fricció al contenidor) va ser més atret per les superfícies carregades positivament.
De la mateixa manera, les partícules de tetròxid de plom carregades per fricció que tenen una càrrega positiva es van atreure a regions de la superfície carregades negativament. Les pols de colors donaven a les regions prèviament invisibles de càrregues lligades a la superfície una forma clara i visible i mostraven la seva polaritat.
Així, va quedar clar per al professor que les seccions carregades de la superfície estaven formades per petites espurnes. electricitat estàtica... Les espurnes, mentre llampejaven a través de la superfície del dielèctric, van deixar àrees separades de la seva superfície carregades elèctricament.
Després d'aparèixer a la superfície del dielèctric, les càrregues romanen allà durant força temps, ja que el propi dielèctric impedeix el seu moviment i dispersió. A més, Lichtenberg va trobar que els patrons de valors de pols positius i negatius eren significativament diferents.
Les descàrregues produïdes pel cable d'alta tensió carregat positivament tenien forma d'estrella amb llargs camins de ramificació, mentre que les descàrregues de l'elèctrode negatiu eren més curtes, arrodonides, en forma de ventall i semblants a una closca.
En col·locar amb cura fulls de paper sobre les superfícies polsegoses, Lichtenberg va descobrir que podia transferir imatges al paper. Així, finalment es van formar els processos moderns de xerografia i impressió làser.Ell va fundar la física que va evolucionar de les figures de pols de Lichtenberg a la ciència moderna. sobre la física del plasma.
Molts altres físics, experimentadors i artistes van estudiar les figures de Lichtenberg durant els dos-cents anys següents. Entre els investigadors destacats dels segles XIX i XX incloïen els físics Gaston Plante i Peter T. Riess.
A finals del segle XIX, artista i científic francès Etienne Leopold Trouvaux creat "Figures Truvelo" - ara conegut com Figures fotogràfiques de Lichtenberg - utilitzant Bobina Rumkorf com a font d'alta tensió.
Altres investigadors van ser Thomas Burton Kinreid i els professors Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen i Arthur von Hippel.
La majoria dels investigadors i artistes moderns han utilitzat pel·lícules fotogràfiques per capturar directament la llum tènue emesa per descàrregues elèctriques.
Un ric industrial anglès i investigador d'alta tensió, Lord William G. Armstrong va publicar dos excel·lents llibres a tot color que presenten algunes de les seves investigacions sobre l'alta tensió i les figures de Lichtenberg.
Tot i que aquests llibres ara són força petits, una còpia del primer llibre d'Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, es va posar a disposició gràcies als amables esforços de Geoff Beharry al Museu d'Electroteràpia a principis de segle.
A mitjans de la dècada de 1920, von Hippel ho va descobrir Les figures de Lichtenberg són en realitat el resultat d'interaccions complexes entre les descàrregues de la corona, o minúscules espurnes elèctriques anomenades streamers, i la superfície dielèctrica que hi ha a sota.
Les descàrregues elèctriques apliquen els "patrons" corresponents de càrrega elèctrica a la superfície dielèctrica de sota, on s'uneixen temporalment. Von Hippel també va trobar que augmentar la tensió aplicada o disminuir la pressió del gas circumdant va provocar un augment de la longitud i el diàmetre dels camins individuals.
Peter Ries va trobar que el diàmetre de la figura positiva de Lichtenberg era aproximadament 2,8 vegades el diàmetre de la figura negativa obtinguda a la mateixa tensió.
Les relacions entre la mida de les figures de Lichtenberg en funció de la tensió i la polaritat es van utilitzar en els primers instruments de mesura i enregistrament d'alta tensió, com el clidonògraf, per mesurar tant la tensió màxima com la polaritat dels polsos d'alta tensió.
El clidonògraf, de vegades anomenat "càmera de Lichtenberg", pot capturar fotogràficament la mida i la forma de les figures de Lichtenberg causades per sobretensions elèctriques anòmales. al llarg de les línies elèctriques degut a llamps.
Les mesures clidonogràfiques van permetre als investigadors de llamps i dissenyadors de sistemes d'alimentació dels anys 30 i 40 mesurar amb precisió les tensions induïdes per llamps, proporcionant així informació important sobre les característiques elèctriques dels llamps.
Aquesta informació va permetre als enginyers elèctrics crear "llamps artificials" amb característiques similars al laboratori perquè poguessin provar l'eficàcia de diferents enfocaments de protecció contra els llamps. Des de llavors, la protecció contra llamps s'ha convertit en una part integral del disseny de tots els sistemes moderns de transmissió i distribució.
La figura mostra exemples de clidonogrames de transitoris d'alta tensió positius i negatius amb diferents amplituds en funció de la polaritat. Observeu com les xifres positives de Lichtenberg són més grans de diàmetre que les negatives, mentre que les tensions màximes són de la mateixa magnitud.
Una versió més recent d'aquest dispositiu, el teinògraf, utilitza una combinació de línies de retard i múltiples sensors semblants a un clidonògraf per capturar una sèrie de "instantànies" en lapse de temps d'un transitori, cosa que permet als enginyers capturar la forma d'ona transitòria general amb alt voltatge.
Tot i que finalment van ser substituïts per equips electrònics moderns, els inògrafs es van continuar utilitzant durant la dècada de 1960 per estudiar el comportament dels llamps i els transitoris de commutació a les línies de transmissió d'alta tensió.
Ara se sap que Les xifres de Lichtenberg es produeixen durant la ruptura elèctrica de gasos, líquids aïllants i dielèctrics sòlids. Les figures de Lichtenberg es poden crear en nanosegons quan s'aplica una tensió elèctrica molt alta al dielèctric, o poden desenvolupar-se durant diversos anys a causa d'una sèrie de petites fallades (baixa energia).
Les innombrables descàrregues parcials a la superfície o dins dels dielèctrics sòlids sovint creen figures de Lichtenberg de superfície 2D parcialment conductores de creixement lent o arbres elèctrics 3D interns.
Els arbres elèctrics 2D es troben sovint a la superfície dels aïllants de línies elèctriques contaminats. Els arbres 3D també es poden formar en zones amagades de la visió humana en aïllants a causa de la presència de petites impureses o buits, o en llocs on l'aïllant està danyat físicament.
Atès que aquests arbres parcialment conductors poden eventualment causar una fallada elèctrica completa de l'aïllant, evitar la formació i el creixement d'aquests "arbres" a les seves arrels és fonamental per a la fiabilitat a llarg termini de tots els equips d'alta tensió.
Les figures tridimensionals de Lichtenberg en plàstic transparent van ser creades per primera vegada pels físics Arno Brasch i Fritz Lange a finals de la dècada de 1940. Utilitzant el seu accelerador d'electrons recentment descobert, van injectar bilions d'electrons lliures a mostres de plàstic, provocant una ruptura elèctrica i carbonització en la forma de la figura interior de Lichtenberg.
Electrons — petites partícules carregades negativament que giren al voltant dels nuclis carregats positivament dels àtoms que formen tota la matèria condensada. Brush i Lange van utilitzar polsos d'alta tensió del generador multimilionari de Marx dissenyat per impulsar un accelerador de feix d'electrons polsats.
El seu dispositiu condensador pot generar polsos de tres milions de volts i és capaç de crear una potent descàrrega d'electrons lliures amb corrents de pic increïbles de fins a 100.000 amperes.
La regió brillant d'aire altament ionitzat creada pel feix d'electrons d'alta corrent sortint s'assemblava a la flama violeta blavenca d'un motor de coet.
El conjunt complet d'imatges en blanc i negre, incloses les figures de Lichtenberg en un bloc de plàstic transparent, ha estat recentment disponible en línia.