Фигура Лихтенберга

Современные 3D-фигуры Лихтенберга или « электрические деревья » в блоке прозрачного акрила, созданные путем облучения блока электронным лучом . Фактический размер: 80 мм × 80 мм × 50 мм (3 дюйма × 3 дюйма × 2 дюйма)

Фигура Лихтенберга (нем. Lichtenberg-figur ), или пылевая фигура Лихтенберга , — это ветвящийся электрический разряд , иногда возникающий на поверхности или внутри изоляционных материалов . Цифры Лихтенберга часто связывают с прогрессирующим износом компонентов и оборудования высокого напряжения. Исследование плоских фигур Лихтенберга вдоль изолирующих поверхностей и трехмерных электрических деревьев внутри изоляционных материалов часто дает инженерам ценную информацию для повышения долгосрочной надежности высоковольтного оборудования. Теперь известно, что фигуры Лихтенберга возникают на твердых телах, жидкостях и газах или внутри них во время электрического пробоя .

Фигуры Лихтенберга — это природные явления, обладающие фрактальными свойствами.

История

Фигуры Лихтенберга названы в честь немецкого физика Георга Кристофа Лихтенберга , который первоначально открыл и изучил их. Когда они были впервые обнаружены, считалось, что их характерная форма может помочь раскрыть природу положительных и отрицательных электрических «жидкостей».

В 1777 году Лихтенберг построил большой электрофор для генерации высокого напряжения статического электричества посредством индукции . После разряда точки высокого напряжения на поверхность изолятора он записал полученные радиальные узоры, посыпая поверхность различными порошкообразными материалами. Приложив затем чистые листы бумаги к этим шаблонам, Лихтенберг смог перенести и записать эти изображения, тем самым открыв основной принцип современной ксерографии . ^[1]

Это открытие стало также предшественником современной науки физики плазмы . Хотя Лихтенберг изучал только двумерные (2D) фигуры, современные исследователи высокого напряжения изучают 2D и 3D фигуры ( электрические деревья ) на изоляционных материалах и внутри них.

Формирование

Двумерные (2D) фигуры Лихтенберга можно получить, поместив остроконечную иглу перпендикулярно поверхности непроводящей пластины, например, из смолы , эбонита или стекла . Точка расположена очень близко к пластине или касается ее. источник высокого напряжения, такой как лейденская банка (разновидность конденсатора ) или генератор статического электричества К игле подается , обычно через искровой промежуток . Это создает внезапный небольшой электрический разряд вдоль поверхности пластины. Это приводит к отложению многожильных участков заряда на поверхности пластины. Затем эти наэлектризованные участки проверяют, посыпая смесью порошкообразных цветков серы и свинцового сурика (Pb ₃ O ₄ или четырехокись свинца ). пластину ^[2]

Во время обращения порошкообразная сера имеет тенденцию приобретать небольшой отрицательный заряд, тогда как свинцовый сурик имеет тенденцию приобретать небольшой положительный заряд. Отрицательно наэлектризованная сера притягивается к положительно наэлектризованным участкам пластины, а положительно наэлектризованный красный свинец притягивается к отрицательно наэлектризованным участкам. ^{[ нужна ссылка ]}

Помимо распределения получаемых таким образом цветов, существует также заметное различие в форме фигуры в зависимости от полярности электрического заряда, приложенного к пластинке. Если области зарядов были положительными, то на пластинке виден широко простирающийся участок, состоящий из плотного ядра, от которого во все стороны расходятся ответвления. Отрицательно заряженные области значительно меньше и имеют резкую круглую или веерообразную границу, совершенно лишенную ответвлений. Генрих Рудольф Герц использовал пылевые фигуры Лихтенберга в своей плодотворной работе, доказывающей теории электромагнитных волн Максвелла . ^[3]

Карбонизированные дорожки высоковольтного разряда пересекают поверхность поликарбоната. листа

Если пластина получает смесь положительных и отрицательных зарядов, как, например, от индукционной катушки , получается смешанная фигура, состоящая из большого красного центрального ядра, соответствующего отрицательному заряду, окруженного желтыми лучами, соответствующими положительному заряду. . Разница между положительными и отрицательными цифрами, по-видимому, зависит от присутствия воздуха ; ибо разница имеет тенденцию исчезать, когда эксперимент проводится в вакууме . Питер Т. Рисс (исследователь XIX века) предположил, что отрицательная электризация пластины была вызвана трением водяного пара и т. д., перемещаемого по поверхности взрывом , который сопровождает разрушительный разряд в этой точке. Эта электрификация будет способствовать распространению положительного разряда, но препятствовать распространению отрицательного разряда. ^[4]

Сейчас известно, что электрические заряды передаются на поверхность изолятора посредством небольших искровых разрядов, возникающих вдоль границы между газом и поверхностью изолятора. ^[5] После переноса на изолятор эти избыточные заряды временно задерживаются. Формы полученных распределений зарядов отражают форму искровых разрядов, которые, в свою очередь, зависят от полярности высокого напряжения и давления газа. Использование более высокого приложенного напряжения приведет к созданию фигур большего диаметра и более разветвленных. Теперь известно, что положительные фигуры Лихтенберга имеют более длинные разветвленные структуры, поскольку длинные искры в воздухе легче формируются и распространяются от положительно заряженных клемм высокого напряжения. Это свойство использовалось для измерения полярности переходного напряжения и величины грозовых перенапряжений на линиях электропередачи. ^[6]

Другой тип двумерной фигуры Лихтенберга может быть создан, когда изолирующая поверхность загрязняется полупроводниковым материалом. Когда на поверхность подается высокое напряжение, токи утечки могут вызвать локальный нагрев и прогрессирующую деградацию и обугливание основного материала. Со временем на поверхности изолятора образуются ветвящиеся древовидные карбонизированные узоры, называемые электрическими деревьями . Этот процесс деградации называется отслеживанием . Если проводящие пути в конечном итоге перекрывают изоляционное пространство, результатом является катастрофический выход из строя изоляционного материала. Некоторые художники намеренно наносят соленую воду на поверхность дерева или картона, а затем подают на поверхность высокое напряжение, чтобы создать на поверхности сложные карбонизированные 2D-фигуры Лихтенберга. ^{[ нужна ссылка ]}

Фрактальные сходства

Разветвленные самоподобные закономерности, наблюдаемые на фигурах Лихтенберга, обладают фрактальными свойствами. Фигуры Лихтенберга часто возникают при диэлектрическом пробое твердых тел, жидкостей и даже газов. Их появление и рост, по-видимому, связаны с процессом, называемым диффузионно-ограниченной агрегацией (DLA). Полезная макроскопическая модель, сочетающая электрическое поле с DLA, была разработана Нимейером, Пьетронеро и Вейсманом в 1984 году и известна как модель диэлектрического пробоя (DBM). ^[7]

Хотя механизмы электрического пробоя воздуха и ПММА существенно различаются, ветвящиеся разряды оказываются родственными. Формы ветвления, принимаемые естественными молниями, также имеют фрактальные характеристики. ^[8]

Конструктивное право

Фигуры Лихтенберга являются примерами природных явлений, обладающих фрактальными свойствами. Возникновение и эволюция этих и других древовидных структур, изобилующих в природе, суммируются конструкционным законом . Конструктивный закон , впервые опубликованный профессором Дьюка Адрианом Бежаном в 1996 году, представляет собой первый принцип физики, который обобщает тенденцию в природе создавать конфигурации (паттерны, конструкции), которые способствуют свободному движению навязанных токов, протекающих через нее. Конструктивный закон предсказывает, что древовидные конструкции, описанные в этой статье, должны возникать и развиваться, чтобы облегчить движение (от точки к области) электрических токов, протекающих через них. ^[9]

Природные явления

Фигуры Лихтенберга представляют собой узоры, похожие на папоротники, которые могут появляться на коже жертв удара молнии и обычно исчезают в течение 24 часов. ^[10] Они также известны как кераунографические отметки . ^[11]

Удар молнии также может создать большую фигуру Лихтенберга в траве вокруг места удара. Иногда их можно встретить на полях для гольфа или на травянистых лугах. ^[12] Разветвленные корневидные минеральные месторождения « фульгурита » также могут образовываться, когда песок и почва сплавляются в стеклянные трубки под воздействием сильного тепла течения.

Электрическое триингование часто возникает в высоковольтном оборудовании до того, как оно приводит к полному выходу из строя. Следование этим цифрам Лихтенберга внутри изоляции во время послеаварийного расследования повреждения изоляции может быть полезно для поиска причины пробоя. По направлению и форме деревьев и их ветвей опытный инженер-электрик может точно увидеть место, где изоляция начала разрушаться, и, используя эти знания, возможно, также найти первоначальную причину. Таким способом можно с пользой исследовать вышедшие из строя трансформаторы, высоковольтные кабели, вводы и другое оборудование. Утеплитель раскатывают (в случае бумажного утеплителя) или нарезают тонкими ломтиками (в случае твердых изоляционных материалов). Результаты затем зарисовываются или фотографируются для записи процесса разрушения.

В изоляционных материалах

Современные фигуры Лихтенберга также могут быть созданы внутри твердых изолирующих материалов, таких как акрил (полиметилметакрилат или ПММА ) или стекло, путем введения в них пучка электронов высокой энергии из линейного ускорителя электронного луча (или Linac , типа ускорителя частиц ). ^[13] Внутри линейного ускорителя электроны фокусируются и ускоряются, образуя пучок высокоскоростных частиц. Электроны, выходящие из ускорителя, имеют энергию до 25 МэВ и движутся со значительной долей (95 - 99+ процентов) скорости света ( релятивистские скорости).

Если электронный луч направлен на толстый акриловый образец, электроны легко проникают через поверхность акрила, быстро замедляясь при столкновении с молекулами внутри пластика и, наконец, останавливаясь глубоко внутри образца. Поскольку акрил является отличным электроизолятором, эти электроны временно задерживаются внутри образца, образуя плоскость избыточного отрицательного заряда. При продолжающемся облучении количество захваченного заряда увеличивается до тех пор, пока эффективное напряжение внутри образца не достигнет миллионов вольт. ^[14] Как только электрическое напряжение превышает диэлектрическую прочность пластика, некоторые его части внезапно становятся проводящими в результате процесса, называемого пробой диэлектрика .

Во время разрушения в пластике быстро формируются и распространяются проводящие каналы, напоминающие ветвящиеся деревья или папоротники, позволяя захваченному заряду внезапно вырваться наружу с миниатюрной молниеподобной вспышкой и взрывом. Пробой заряженного образца также можно вызвать вручную, проткнув пластик заостренным проводящим предметом, чтобы создать точку чрезмерного напряжения. Во время разряда мощные электрические искры оставляют после себя тысячи разветвленных цепочек трещин, создавая постоянную фигуру Лихтенберга внутри образца. Хотя внутренний заряд внутри образца отрицательный, разряд инициируется с положительно заряженных внешних поверхностей образца, так что образующийся разряд создает положительную фигуру Лихтенберга. Эти объекты иногда называют электронными деревьями , лучевыми деревьями или деревьями молний .

Поскольку электроны быстро замедляются внутри акрила, они также генерируют мощные рентгеновские лучи . Остаточные электроны и рентгеновские лучи затемняют акрил, создавая дефекты (центры окраски) в процессе, называемом соляризацией . Соляризация сначала придает акриловым образцам лимонно-зеленый цвет, который затем меняется на янтарный после разрядки образца. Цвет обычно со временем тускнеет, а нежное нагревание в сочетании с кислородом ускоряет процесс выцветания. ^[15]

На дереве

Фигуры Лихтенберга также могут быть изготовлены из дерева. Типы древесины и узоры влияют на форму изготавливаемой фигурки Лихтенберга. ^[16] При нанесении слоя электролитического раствора на поверхность древесины сопротивление поверхности значительно снижается. Затем на древесину помещают два электрода и пропускают через них высокое напряжение. Ток от электродов вызовет нагрев поверхности древесины до тех пор, пока электролит не закипит и деревянная поверхность не загорится. Поскольку обугленная поверхность древесины обладает слабой проводимостью, поверхность древесины будет гореть по направлению наружу от электродов. Этот процесс может быть опасным, каждый год приводя к смертельным случаям от поражения электрическим током. ^[17]

См. также

Ссылки

^ De Nova Methodo Naturam Ac Motum Fluidi Electrici Investigandi (Göttinger Novi Commentarii, Геттинген, 1777). Английский перевод латинского названия звучит так: «О новом методе исследования природы и движения электрической жидкости».
^ Такахаши, Юзо (1979). «Двести лет фигурам Лихтенберга». Журнал электростатики . 6 (1). Эльзевир Б.В.: 1–13. дои : 10.1016/0304-3886(79)90020-2 . ISSN 0304-3886 .
^ Герц, Генрих Рудольф (1900). Электрические волны: исследования распространения электрического действия с конечной скоростью .
^ Рисс, Питер (1846). «Об электрических фигурах и картинках» . Анналы физики и химии (на немецком языке). 145 (9). Уайли: 1-44. Бибкод : 1846АнП...145....1Р . дои : 10.1002/andp.18461450902 . ISSN 0003-3804 .
^ Меррилл, FH; Фон Хиппель, А. (1939). «Атомнофизическая интерпретация фигур Лихтенберга и их применение к изучению газоразрядных явлений». Журнал прикладной физики . 10 (12). Издательство AIP: 873–887. Бибкод : 1939JAP....10..873M . дои : 10.1063/1.1707274 . ISSN 0021-8979 .
^ Кокс, Дж. Х.; Легг, JW (1925). «Клидонограф и его применение для исследования скачков напряжения». Труды Американского института инженеров-электриков . XLIV . Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 857–871. дои : 10.1109/t-aiee.1925.5061173 . ISSN 0096-3860 . S2CID 51647052 .
^ Нимейер, Л.; Пьетронеро, Л.; Висманн, HJ (19 марта 1984 г.). «Фрактальная размерность диэлектрического пробоя». Письма о физических отзывах . 52 (12). Американское физическое общество (APS): 1033–1036. Бибкод : 1984PhRvL..52.1033N . дои : 10.1103/physrevlett.52.1033 . ISSN 0031-9007 .
^ «Фрактальная природа молнии: исследование фрактальной связи структуры молнии с местностью» Брайана Клея Грэма-Джонса, диссертация, представленная на факультет математики при частичном выполнении требований для получения степени магистра наук , Университет штата Флорида, Колледж искусств и наук, 2006 г.
^ [1] Веб-сайт строительного права
^ Бейли, Кейтлин (2016). Тинтиналли, Джудит Э.; Стапчинский, Дж. Стефан; Ма, О. Джон; Йили, Дональд М.; и др. (ред.). Травмы от электрического тока и молнии (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )
^ Веб-сайт Sage Publishing, Электрические травмы у животных: причины, патогенез и морфологические данные , статья К. Шульце и др. , опубликованная 11 июля 2016 г. в Американском колледже ветеринарных патологов, том 53, выпуск 5.
^ «Молнии и фигуры Лихтенберга» Майкла Черингтона, Шерил Олсон и Филипа Р. Ярнелла, Травма: Международный журнал по уходу за ранеными, том 34, выпуск 5, май 2003 г., страницы 367–371
^ Гросс, Бернхард (1958). «Эффекты облучения в оргстекле». Журнал полимерной науки . 27 (115). Уайли: 135–143. Бибкод : 1958JPoSc..27..135G . дои : 10.1002/pol.1958.1202711511 . ISSN 0022-3832 .
^ Гросс, Бернхард; Набло, Сэм В. (1967). «Высокие потенциалы в диэлектриках, облученных электронами». Журнал прикладной физики . 38 (5). Издательство АИП: 2272–2275. Бибкод : 1967JAP....38.2272G . дои : 10.1063/1.1709869 . ISSN 0021-8979 .
^ Гарднер, Дональд Г.; Туси, Мохаммад Т.А. (1967). «Радиационное изменение показателя преломления, плотности и диэлектрической проницаемости полиметилметакрилата». Журнал прикладной науки о полимерах . 11 (7). Уайли: 1065–1078. дои : 10.1002/app.1967.070110706 . ISSN 0021-8995 .
^ «Деревянная электрификация (она же фигура Лихтенберга)» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. – на сайте www.youtube.com.
^ «Опасности машин Лихтенберга» - через woodturner.org.

Внешние ссылки

Что такое фигуры Лихтенберга и как они создаются?
Фигурки Лихтенберга, стекло и драгоценные камни
Статья в обзоре General Electric 1927 года о фигурах Лихтенберга
Модель диэлектрического пробоя (DBM)
Ловушка молнии в блоке . (Фигура Лихтенберга своими руками в журнале Popular Science)
Лихтенберги акрилом в 3д. 1 2 3 (Для просмотра требуется QuickTime VR.)
Библиография фульгуритов
Лихтенберг, сжигание дерева со сварщиком

[1] De Nova Methodo Naturam Ac Motum Fluidi Electrici Investigandi (Göttinger Novi Commentarii, Геттинген, 1777). Английский перевод латинского названия звучит так: «О новом методе исследования природы и движения электрической жидкости».

[2] Такахаши, Юзо (1979). «Двести лет фигурам Лихтенберга». Журнал электростатики . 6 (1). Эльзевир Б.В.: 1–13. дои : 10.1016/0304-3886(79)90020-2 . ISSN 0304-3886 .

[3] Герц, Генрих Рудольф (1900). Электрические волны: исследования распространения электрического действия с конечной скоростью .

[4] Рисс, Питер (1846). «Об электрических фигурах и картинках» . Анналы физики и химии (на немецком языке). 145 (9). Уайли: 1-44. Бибкод : 1846АнП...145....1Р . дои : 10.1002/andp.18461450902 . ISSN 0003-3804 .

[5] Меррилл, FH; Фон Хиппель, А. (1939). «Атомнофизическая интерпретация фигур Лихтенберга и их применение к изучению газоразрядных явлений». Журнал прикладной физики . 10 (12). Издательство AIP: 873–887. Бибкод : 1939JAP....10..873M . дои : 10.1063/1.1707274 . ISSN 0021-8979 .

[6] Кокс, Дж. Х.; Легг, JW (1925). «Клидонограф и его применение для исследования скачков напряжения». Труды Американского института инженеров-электриков . XLIV . Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 857–871. дои : 10.1109/t-aiee.1925.5061173 . ISSN 0096-3860 . S2CID 51647052 .

[7] Нимейер, Л.; Пьетронеро, Л.; Висманн, HJ (19 марта 1984 г.). «Фрактальная размерность диэлектрического пробоя». Письма о физических отзывах . 52 (12). Американское физическое общество (APS): 1033–1036. Бибкод : 1984PhRvL..52.1033N . дои : 10.1103/physrevlett.52.1033 . ISSN 0031-9007 .

[8] «Фрактальная природа молнии: исследование фрактальной связи структуры молнии с местностью» Брайана Клея Грэма-Джонса, диссертация, представленная на факультет математики при частичном выполнении требований для получения степени магистра наук , Университет штата Флорида, Колледж искусств и наук, 2006 г.

[9] [1] Веб-сайт строительного права

[10] Бейли, Кейтлин (2016). Тинтиналли, Джудит Э.; Стапчинский, Дж. Стефан; Ма, О. Джон; Йили, Дональд М.; и др. (ред.). Травмы от электрического тока и молнии (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

[11] Веб-сайт Sage Publishing, Электрические травмы у животных: причины, патогенез и морфологические данные , статья К. Шульце и др. , опубликованная 11 июля 2016 г. в Американском колледже ветеринарных патологов, том 53, выпуск 5.

[12] «Молнии и фигуры Лихтенберга» Майкла Черингтона, Шерил Олсон и Филипа Р. Ярнелла, Травма: Международный журнал по уходу за ранеными, том 34, выпуск 5, май 2003 г., страницы 367–371

[13] Гросс, Бернхард (1958). «Эффекты облучения в оргстекле». Журнал полимерной науки . 27 (115). Уайли: 135–143. Бибкод : 1958JPoSc..27..135G . дои : 10.1002/pol.1958.1202711511 . ISSN 0022-3832 .

[14] Гросс, Бернхард; Набло, Сэм В. (1967). «Высокие потенциалы в диэлектриках, облученных электронами». Журнал прикладной физики . 38 (5). Издательство АИП: 2272–2275. Бибкод : 1967JAP....38.2272G . дои : 10.1063/1.1709869 . ISSN 0021-8979 .

[15] Гарднер, Дональд Г.; Туси, Мохаммад Т.А. (1967). «Радиационное изменение показателя преломления, плотности и диэлектрической проницаемости полиметилметакрилата». Журнал прикладной науки о полимерах . 11 (7). Уайли: 1065–1078. дои : 10.1002/app.1967.070110706 . ISSN 0021-8995 .

[16] «Деревянная электрификация (она же фигура Лихтенберга)» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. – на сайте www.youtube.com.

[17] «Опасности машин Лихтенберга» - через woodturner.org.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]