Рисунок Лихтенберга

редактировать
Ветвящиеся формы Современные 3D-фигуры Лихтенберга фигуры или «электрическое древообразование » в блоке из прозрачного акрила, созданное путем облучения блока электронным лучом. Фактический размер: 80 мм × 80 мм × 50 мм (3 дюйма × 3 дюйма × 2 дюйма) Легкое разветвленное покраснение, распространяющееся вверх по ноге человека, созданное током от ближайшего удара молнии

A фигура Лихтенберга (немецкий Lichtenberg-Figuren ), или фигура из пыли Лихтенберга, представляет собой разветвленный электрический разряд, который иногда появляется на поверхности или внутри изоляционных материалов. Цифры Лихтенберга часто связаны с прогрессирующим износом компонентов и оборудования высокого напряжения. Изучение плоских фигур Лихтенберга вдоль изолирующих поверхностей и трехмерных электрических деревьев внутри изоляционных материалов часто дает инженерам ценные идеи для повышения долговременной надежности высоковольтного оборудования. В настоящее время известно, что фигуры Лихтенберга возникают на или внутри твердых тел, жидкостей и газов во время электрического пробоя.

Фигуры Лихтенберга являются примерами природных явлений, которые проявляют фрактальные свойства.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Формирование
    • 2.1 Фрактальное сходство
  • 3 Природные явления
  • 4 В изоляционных материалах
  • 5 На дереве
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

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 характерные формы могут помочь раскрыть природу положительных и отрицательных электрических «жидкостей».

В 1777 году Лихтенберг построил большой электрофорус для генерации высокого напряжения статического электричества посредством индукции. После разряда точки высокого напряжения на поверхности изолятора он записал полученные радиальные узоры, разбрызгивая на поверхность различные порошковые материалы. Затем прижимая чистые листы бумаги к этим узорам, Лихтенберг смог перенести и записать эти изображения, тем самым открыв основной принцип современной ксерографии.

Это открытие также стало предвестником современной науки физика плазмы. Хотя Лихтенберг изучал только двухмерные (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, такой как смола, эбонит или стекло. Точка расположена очень близко или соприкасается с пластиной. Источник высокого напряжения, такой как лейденская банка (тип конденсатора ) или генератор статического электричества, подается на иглу, обычно через искровой разрядник. Это создает внезапный небольшой электрический разряд вдоль поверхности пластины. Это откладывает сплошные участки заряда на поверхности пластины. Затем эти наэлектризованные области испытывают путем разбрызгивания смеси порошкообразных цветов серы и красного свинца (Pb 3O4или тетроксид свинца ) на пластину.

Во время При обращении с порошком сера имеет тенденцию приобретать небольшой отрицательный заряд, тогда как красный свинец имеет тенденцию приобретать небольшой положительный заряд. Отрицательно наэлектризованная сера притягивается к положительно наэлектризованным участкам пластины, тогда как положительно наэлектризованный красный провод притягивается к отрицательно наэлектризованным участкам.

В дополнение к полученному таким образом распределению цветов существует также заметное различие в форме фигуры в зависимости от полярности электрического заряда, приложенного к пластине. Если зарядовые области были положительными, на пластине видно широко распространяющееся пятно, состоящее из плотного ядра, от которого отходят ветви во всех направлениях. Отрицательно заряженные области значительно меньше и имеют резкую круглую или веерообразную границу, полностью лишенную ветвей. Генрих Рудольф Герц использовал фигуры пыли Лихтенберга в своей основополагающей работе, доказывающей теории электромагнитных волн Максвелла.

Карбонизированные дорожки высоковольтного разряда пересекают поверхность поликарбоната лист

Если на пластину поступает смесь положительных и отрицательных зарядов, как, например, от индукционной катушки , получается смешанная цифра, состоящая из большого красного центрального ядра, соответствующего отрицательному заряду, окружен желтыми лучами, соответствующими положительному заряду. Разница между положительными и отрицательными числами, по-видимому, зависит от наличия воздуха ; поскольку 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., Движущимся по поверхности в результате взрыва, который сопровождает пробивной разряд в точке. Эта электризация будет способствовать распространению положительного разряда, но препятствует распространению отрицательного разряда.

Теперь известно, что электрические заряды передаются на поверхность изолятора через небольшие искровые разряды, которые возникают вдоль границы между газом и поверхность изолятора. После переноса на изолятор эти избыточные заряды временно скручиваются. 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 образованию большего диаметра и более разветвленных фигур. Теперь известно, что положительные фигуры Лихтенберга имеют более длинные разветвленные структуры, потому что длинные искры в воздухе могут легче образовываться и распространяться от положительно заряженных клемм высокого напряжения. Это свойство использовалось для измерения полярности переходного напряжения и величины скачков молнии на линиях электропередач.

Другой тип двумерной фигуры Лихтенберга может быть создан, когда изолирующая поверхность становится загрязненной полупроводниковым материалом. Когда к поверхности приложено высокое напряжение, токи утечки могут вызвать локальный нагрев и прогрессирующую деградацию и обугливание нижележащего материала. Со временем на поверхности изолятора образуются ветвистые древовидные карбонизированные узоры, называемые электрическими деревьями. Этот процесс деградации называется отслеживанием. Если токопроводящие дорожки в конечном итоге перекрывают изолирующее пространство, результатом является катастрофическое разрушение изоляционного материала. Некоторые художники намеренно наносят соленую воду на поверхность дерева или картона, а затем прикладывают высокое напряжение к поверхности для создания сложных карбонизированных 2D-фигур Лихтенберга на поверхности.

Фрактальные сходства

Ветвление, самоподобные паттерны, наблюдаемые на фигурах Лихтенберга, проявляют фрактальные свойства. Фигуры Лихтенберга часто возникают во время пробоя диэлектрика твердых тел, жидкостей и даже газов. Их появление и рост, по-видимому, связаны с процессом, называемым ограниченная диффузией агрегация (DLA). Полезная макроскопическая модель, сочетающая электрическое поле с DLA, была разработана Нимейером, Пьетронеро и Вейсманном в 1984 году и известна как модель диэлектрического пробоя (DBM).

Хотя электрическая Механизмы разрушения воздуха и пластика ПММА существенно различаются, разветвленные разряды оказываются взаимосвязанными. Разветвляющиеся формы, принимаемые естественной молнией, также имеют фрактальные характеристики.

Природные явления

Молния - естественная трехмерная фигура Лихтенберга.

Фигуры Лихтенберга - это папоротниковые узоры, которые могут появляться на кожа жертв удара молнии, которые исчезают через 24 часа.

Удар молнии также может создать большую фигуру Лихтенберга в траве, окружающей пораженную точку. Иногда их можно найти на полях для гольфа или на травянистых лугах. Разветвляющиеся корнеобразные минеральные отложения «фульгурит » могут также образовываться, когда песок и почва сплавлены в стеклянные трубки под действием сильного тепла электрического тока.

Электрическое древовидное соединение часто происходит в высоковольтном оборудовании до того, как вызывает полный выход из строя. Следование этим цифрам Лихтенберга внутри изоляции во время расследования повреждения изоляции после аварии может быть полезно для поиска причины пробоя. Опытный инженер-электротехник может видеть по направлению и форме деревьев и их ветвей, где находилась основная причина поломки, и, возможно, найти исходную причину. Таким образом можно исследовать вышедшие из строя трансформаторы, высоковольтные кабели, вводы и другое оборудование. Изоляция раскатывается (в случае бумажной изоляции) или нарезается тонкими ломтиками (в случае твердых изоляционных материалов). Затем результаты зарисовываются или фотографируются, чтобы зафиксировать процесс поломки.

В изоляционных материалах

Современные фигуры Лихтенберга также могут быть созданы из твердых изоляционных материалов, таких как акрил (полиметилметакрилат или ПММА ) или стекло, путем впрыска их с помощью луча. высокоскоростных электронов от линейного ускорителя электронного пучка (или Linac, тип ускорителя частиц ). 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) от скорости света (релятивистских скоростей).

Фигура Лихтенберга, запечатленная в акриловом блоке

Если электронный луч направлен на толстый акриловый образец, электроны легко проникают через поверхность акрила, быстро замедляясь при столкновении с молекулами внутри пластика и, наконец, останавливаются глубоко внутри образца. Поскольку акрил является отличным электрическим изолятором, эти электроны временно задерживаются внутри образца, образуя плоскость избыточного отрицательного заряда. При продолжающемся облучении количество захваченного заряда увеличивается, пока эффективное напряжение внутри образца не достигнет миллионов вольт. Когда электрическое напряжение превышает диэлектрическую прочность пластмассы, некоторые участки внезапно становятся проводящими в процессе, называемом пробой диэлектрика.

. Во время пробоя быстро образуются и распространяются ветвящиеся деревья или проводящие каналы, похожие на папоротник. через пластик, позволяя захваченному заряду внезапно вырваться наружу в виде миниатюрной молнии -подобной вспышки и взрыва. Пробой заряженного образца также можно вызвать вручную, ткнув пластик острым проводящим предметом, чтобы создать точку чрезмерного напряжения. Во время разряда мощные электрические искры оставляют после себя тысячи разветвляющихся цепочек трещин, создавая постоянную фигуру Лихтенберга внутри образца. Хотя внутренний заряд внутри образца отрицательный, разряд инициируется с положительно заряженных внешних поверхностей образца, так что возникающий разряд создает положительную фигуру Лихтенберга. Эти объекты иногда называют электронными деревьями, лучевыми деревьями или деревьями молний.

Поскольку электроны внутри акрила быстро замедляются, они также генерируют мощное рентгеновское излучение. Остаточные электроны и рентгеновские лучи затемняют акрил за счет появления дефектов (центров окраски) в процессе, называемом соляризацией. Соляризация первоначально делает акриловые образцы светло-зеленым цветом, который затем меняется на янтарный после того, как образец был выгружен. Цвет обычно со временем тускнеет, а мягкое нагревание в сочетании с кислородом ускоряет процесс выцветания.

На дереве

Фигурки Лихтенберга в леопардовом дереве

Фигуры Лихтенберга также могут быть изготовлены на дереве. Типы древесины и рисунки волокон влияют на форму полученной фигуры Лихтенберга.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с фигурами Лихтенберга.
Последняя правка сделана 2021-05-27 08:38:05
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте