Số liệu của Lichtenberg: lịch sử, nguyên lý tác động vật lý

Các hình Lichtenberg được gọi là các mẫu hình cây, phân nhánh thu được bằng cách cho phóng điện cao áp trên bề mặt hoặc bên trong phần lớn vật liệu điện môi.

Những hình đầu tiên của Lichtenberg là hai chiều, chúng là những hình được hình thành từ bụi. Lần đầu tiên chúng được quan sát vào năm 1777 bởi một nhà vật lý người Đức - giáo sư Georg Christoph Lichtenberg… Bụi trong không khí lắng đọng trên bề mặt của các tấm nhựa tích điện trong phòng thí nghiệm của ông đã tạo ra những hoa văn khác thường này.

Giáo sư đã chứng minh hiện tượng này cho các sinh viên vật lý của mình, ông cũng nói về khám phá này trong hồi ký của mình. Lichtenberg đã viết về điều này như một phương pháp mới để nghiên cứu bản chất và chuyển động của chất lỏng điện.

Một cái gì đó tương tự có thể được đọc trong hồi ký của Lichtenberg. “Những hoa văn này không khác lắm so với hoa văn khắc. Đôi khi xuất hiện gần như vô số ngôi sao, Dải Ngân hà và các mặt trời lớn. Cầu vồng tỏa sáng trên mặt lồi của chúng.

Kết quả là những cành cây sáng bóng tương tự như những cành cây có thể nhìn thấy khi hơi ẩm đóng băng trên cửa sổ. Những đám mây có hình dạng khác nhau và bóng có độ sâu khác nhau. Nhưng ấn tượng lớn nhất đối với tôi là những con số này không dễ xóa vì tôi đã cố gắng xóa chúng bằng bất kỳ phương pháp thông thường nào.

Tôi không thể ngăn những hình dạng tôi vừa xóa phát sáng trở lại, sáng hơn. Tôi đặt một tờ giấy đen có phủ chất nhớt lên các hình và ấn nhẹ. Do đó, tôi đã có thể in các hình vẽ, sáu trong số đó đã được trình bày cho Hội Hoàng gia.

Kiểu tiếp nhận hình ảnh mới này khiến tôi vô cùng hạnh phúc vì tôi đang vội làm những việc khác và không có thời gian cũng như mong muốn vẽ hoặc hủy tất cả những bức vẽ này. «

Trong các thí nghiệm tiếp theo của mình, Giáo sư Lichtenberg đã sử dụng nhiều thiết bị tĩnh điện điện áp cao khác nhau để tích điện cho bề mặt của nhiều loại vật liệu điện môi như nhựa, thủy tinh, ebonit...

Sau đó, ông rắc hỗn hợp lưu huỳnh và chì tetroxide lên các bề mặt tích điện. Lưu huỳnh (đã trở nên tích điện âm do ma sát trong bình chứa) bị hút nhiều hơn vào các bề mặt tích điện dương.

Tương tự như vậy, các hạt chì tetroxide tích điện do ma sát có điện tích dương bị hút vào các vùng tích điện âm trên bề mặt. Các loại bột màu đã tạo cho các vùng điện tích liên kết bề mặt không thể nhìn thấy trước đây có hình dạng rõ ràng và cho thấy sự phân cực của chúng.

Do đó, giáo sư thấy rõ rằng các phần tích điện của bề mặt được hình thành bởi các tia lửa nhỏ. tĩnh điện… Các tia lửa, khi chúng lóe lên trên bề mặt của chất điện môi, để lại các khu vực riêng biệt trên bề mặt của nó được tích điện.

Sau khi xuất hiện trên bề mặt của chất điện môi, các điện tích vẫn ở đó trong một thời gian khá dài, vì chính chất điện môi ngăn cản sự chuyển động và phân tán của chúng. Ngoài ra, Lichtenberg nhận thấy rằng các mẫu giá trị bụi tích cực và tiêu cực khác nhau đáng kể.

Sự phóng điện do dây điện cao thế tích điện dương tạo ra có hình sao với các đường phân nhánh dài, trong khi sự phóng điện từ điện cực âm ngắn hơn, tròn, hình quạt và giống vỏ sò.

Bằng cách cẩn thận đặt các tờ giấy lên bề mặt bụi bặm, Lichtenberg phát hiện ra rằng ông có thể chuyển hình ảnh lên giấy. Do đó, các quy trình in xerography và laser hiện đại cuối cùng đã được hình thành. về vật lý plasma.

Nhiều nhà vật lý, nhà thí nghiệm và nghệ sĩ khác đã nghiên cứu các số liệu của Lichtenberg trong hơn hai trăm năm sau đó. Các nhà nghiên cứu đáng chú ý của thế kỷ 19 và 20 bao gồm các nhà vật lý nhà máy gaston Và Peter T. Riess.

Vào cuối thế kỷ 19, một nghệ sĩ và nhà khoa học người Pháp Etienne Leopold Trouvaux tạo «Nhân vật Truvelo» - bây giờ được gọi là nhân vật nhiếp ảnh Lichtenberg - sử dụng cuộn dây Rumkorf như một nguồn điện áp cao.

Các nhà nghiên cứu khác là Thomas Burton Kinreid và Giáo sư Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen và Arthur von Hippel.

Hầu hết các nhà nghiên cứu và nghệ sĩ hiện đại đã sử dụng phim ảnh để chụp trực tiếp ánh sáng yếu ớt phát ra từ phóng điện.

Một nhà công nghiệp và nhà nghiên cứu điện cao thế giàu có người Anh, Lord William G. Armstrong đã xuất bản hai cuốn sách đầy màu sắc xuất sắc trình bày một số nghiên cứu của ông về điện áp cao và số liệu Lichtenberg.

Mặc dù những cuốn sách này hiện nay khá ít, nhưng một bản sao cuốn sách đầu tiên của Armstrong, Chuyển động điện trong không khí và nước với các suy luận theo lý thuyết, đã được cung cấp nhờ những nỗ lực tử tế của Geoff Beharry tại Bảo tàng Điện trị liệu vào đầu thế kỷ.

Vào giữa những năm 1920, von Hippel phát hiện ra rằng Các số liệu của Lichtenberg thực ra là kết quả của các tương tác phức tạp giữa sự phóng điện hào quang, hay các tia lửa điện nhỏ gọi là bộ truyền phát, và bề mặt điện môi bên dưới.

Sự phóng điện áp dụng các "mẫu" điện tích tương ứng lên bề mặt điện môi bên dưới, nơi chúng tạm thời liên kết với nhau. Von Hippel cũng phát hiện ra rằng việc tăng điện áp đặt vào hoặc giảm áp suất của khí xung quanh dẫn đến tăng chiều dài và đường kính của các đường dẫn riêng lẻ.

Peter Ries phát hiện ra rằng đường kính của hình Lichtenberg dương gấp khoảng 2,8 lần đường kính của hình âm thu được ở cùng điện áp.

Mối quan hệ giữa kích thước của các hình Lichtenberg như một chức năng của điện áp và cực tính đã được sử dụng trong các thiết bị ghi và đo điện áp cao thời kỳ đầu, chẳng hạn như máy ghi âm clidonograph, để đo cả điện áp đỉnh và cực tính của các xung điện áp cao.

Máy chụp ảnh đôi, đôi khi được gọi là "máy ảnh Lichtenberg", có thể chụp ảnh kích thước và hình dạng của các hình Lichtenberg do xung điện dị thường gây ra. dọc theo đường dây điện bởi vì tia chớp.

Các phép đo Clidonographic cho phép các nhà nghiên cứu sét và các nhà thiết kế hệ thống điện trong những năm 1930 và 1940 đo chính xác điện áp do sét gây ra, từ đó cung cấp thông tin quan trọng về các đặc tính điện của sét.

Thông tin này cho phép các kỹ sư năng lượng tạo ra "sét nhân tạo" với các đặc điểm tương tự trong phòng thí nghiệm để họ có thể kiểm tra hiệu quả của các phương pháp chống sét khác nhau. Kể từ đó, chống sét đã trở thành một phần không thể thiếu trong thiết kế của tất cả các hệ thống truyền tải và phân phối hiện đại.

Hình này cho thấy các ví dụ về clidonogram của quá độ điện áp cao dương và âm với các biên độ khác nhau tùy thuộc vào cực tính. Lưu ý cách các hình Lichtenberg dương có đường kính lớn hơn các hình âm, trong khi điện áp cực đại có cùng độ lớn.

Một phiên bản mới hơn của thiết bị này, theinograph, sử dụng kết hợp các đường trễ và nhiều cảm biến giống như máy ghi âm clidonograph để ghi lại một loạt "ảnh chụp nhanh" tua nhanh thời gian, cho phép các kỹ sư chụp được dạng sóng tổng thể nhất thời với điện áp cao.

Mặc dù cuối cùng chúng đã bị thay thế bởi các thiết bị điện tử hiện đại, nhưng máy ghi âm vẫn tiếp tục được sử dụng cho đến những năm 1960 để nghiên cứu hành vi của sét và chuyển mạch quá độ trên đường dây truyền tải điện áp cao.

Bây giờ nó được biết rằng Số liệu Lichtenberg xảy ra trong quá trình đánh thủng điện của chất khí, chất lỏng cách điện và chất điện môi rắn. Các số liệu Lichtenberg có thể được tạo ra trong vài nano giây khi đặt một điện áp rất cao vào chất điện môi hoặc chúng có thể phát triển trong vài năm do một loạt các hỏng hóc nhỏ (năng lượng thấp).

Vô số phóng điện cục bộ trên bề mặt hoặc bên trong chất điện môi rắn thường tạo ra các hình Lichtenberg bề mặt 2D dẫn điện một phần hoặc phát triển chậm hoặc cây điện 3D bên trong.

Cây điện 2D thường được tìm thấy trên bề mặt của chất cách điện đường dây điện bị ô nhiễm. Cây 3D cũng có thể hình thành ở những khu vực khuất tầm nhìn của con người trong chất cách điện do có các tạp chất hoặc khoảng trống nhỏ, hoặc ở những nơi chất cách điện bị hư hỏng vật lý.

Vì những cây dẫn điện một phần này cuối cùng có thể gây ra sự cố điện hoàn toàn cho chất cách điện, nên việc ngăn chặn sự hình thành và phát triển của những "cây" như vậy ở gốc của chúng là rất quan trọng đối với độ tin cậy lâu dài của tất cả các thiết bị điện áp cao.

Các hình ba chiều của Lichtenberg bằng nhựa trong lần đầu tiên được tạo ra bởi các nhà vật lý Arno Brasch và Fritz Lange vào cuối những năm 1940. Sử dụng máy gia tốc điện tử mới được phát hiện, họ đã bơm hàng nghìn tỷ điện tử tự do vào các mẫu nhựa, gây ra sự cố điện và cháy thành hình dạng của hình Lichtenberg bên trong.

điện tử — các hạt nhỏ tích điện âm xoay quanh hạt nhân tích điện dương của các nguyên tử tạo nên mọi vật chất ngưng tụ. Brush và Lange đã sử dụng các xung điện áp cao từ máy phát trị giá hàng triệu đô la của Marx được thiết kế để điều khiển máy gia tốc chùm tia điện tử xung.

Thiết bị tụ điện của họ có thể tạo ra các xung ba triệu vôn và có khả năng tạo ra sự phóng điện cực mạnh của các điện tử tự do với dòng điện cực đại đáng kinh ngạc lên tới 100.000 ampe.

Vùng phát sáng của không khí bị ion hóa cao tạo ra bởi chùm electron dòng điện cao đi ra giống như ngọn lửa màu xanh tím của động cơ tên lửa.

Bộ hình ảnh đen trắng hoàn chỉnh, bao gồm các hình Lichtenberg trong một khối nhựa trong, gần đây đã có sẵn trực tuyến.