Figure di Lichtenberg: storia, principio fisico dell'impatto
Le figure di Lichtenberg sono chiamate modelli ramificati simili ad alberi ottenuti facendo passare scariche elettriche ad alta tensione sulla superficie o all'interno della maggior parte dei materiali dielettrici.
Le prime figure di Lichtenberg sono bidimensionali, sono figure formate dalla polvere. Per la prima volta furono osservati nel 1777 da un fisico tedesco - professore Georg Christoph Lichtenberg… La polvere aerea che si è depositata sulle superfici delle lastre di resina caricate elettricamente nel suo laboratorio ha creato questi modelli insoliti.
Il professore ha dimostrato questo fenomeno ai suoi studenti di fisica, ha anche parlato di questa scoperta nelle sue memorie. Lichtenberg ha scritto di questo come un nuovo metodo per studiare la natura e il moto di un fluido elettrico.
Qualcosa di simile si può leggere nelle memorie di Lichtenberg. “Questi motivi non sono molto diversi dal motivo dell'incisione. A volte appaiono quasi innumerevoli stelle, la Via Lattea e i grandi soli. Gli arcobaleni brillavano sul loro lato convesso.
Il risultato sono stati ramoscelli lucenti simili a quelli che si possono vedere quando l'umidità gela su una finestra. Nuvole di diverse forme e ombre di diverse profondità. Ma la più grande impressione per me è stata che questi numeri non fossero facili da cancellare perché ho provato a cancellarli con uno dei soliti metodi.
Non riuscivo a impedire alle forme che avevo appena cancellato di brillare di nuovo, più luminose. Ho messo un foglio di carta nera rivestito di materiale viscoso sulle figure e l'ho premuto leggermente. Sono stato così in grado di realizzare stampe di figure, sei delle quali sono state presentate alla Royal Society.
Questo nuovo tipo di acquisizione delle immagini mi rendeva estremamente felice perché avevo fretta di fare altre cose e non avevo né il tempo né la voglia di disegnare o distruggere tutti questi disegni. «
Nei suoi successivi esperimenti, il professor Lichtenberg ha utilizzato vari dispositivi elettrostatici ad alta tensione per caricare le superfici di un'ampia varietà di materiali dielettrici come resina, vetro, ebanite...
Ha quindi spolverato una miscela di zolfo e tetrossido di piombo sulle superfici cariche. Lo zolfo (che si caricava negativamente per attrito nel contenitore) era maggiormente attratto dalle superfici caricate positivamente.
Allo stesso modo, le particelle di tetrossido di piombo caricate per attrito che hanno una carica positiva sono state attratte da regioni della superficie caricate negativamente. Le polveri colorate hanno dato alle regioni precedentemente invisibili delle cariche legate alla superficie una forma chiaramente visibile e hanno mostrato la loro polarità.
Così divenne chiaro al professore che le sezioni cariche della superficie erano formate da piccole scintille. elettricità statica… Le scintille, mentre lampeggiavano sulla superficie del dielettrico, lasciavano cariche elettriche aree separate della sua superficie.
Dopo essere apparse sulla superficie del dielettrico, le cariche vi rimangono per un tempo piuttosto lungo, poiché il dielettrico stesso ne impedisce il movimento e la dispersione. Inoltre, Lichtenberg ha scoperto che i modelli di valori di polvere positivi e negativi erano significativamente diversi.
Le scariche prodotte dal filo ad alta tensione caricato positivamente erano a forma di stella con lunghi percorsi ramificati, mentre le scariche dall'elettrodo negativo erano più corte, arrotondate, a forma di ventaglio e simili a conchiglie.
Posizionando con cura fogli di carta sulle superfici polverose, Lichtenberg scoprì di poter trasferire immagini su carta. Così, alla fine, si formarono i moderni processi di xerografia e stampa laser e fondò la fisica che si è evoluta dalle figure in polvere di Lichtenberg alla scienza moderna. sulla fisica del plasma.
Molti altri fisici, sperimentatori e artisti hanno studiato le figure di Lichtenberg nei successivi duecento anni. Notevoli ricercatori del XIX e XX secolo includevano fisici Gastone Plante E Peter T.Riess.
Alla fine del XIX secolo, artista e scienziato francese Etienne Léopold Trouvaux creato «Figure Truvelo» - ora noto come Figure fotografiche di Lichtenberg - usando Bobina di Rumkorf come fonte di alta tensione.
Altri ricercatori erano Thomas Burton Kinreid e i professori Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen e Artur von Hippel.
La maggior parte dei ricercatori e degli artisti moderni ha utilizzato la pellicola fotografica per catturare direttamente la debole luce emessa scariche elettriche.
Un ricco industriale inglese e ricercatore di alta tensione, Lord William G.Armstrong ha pubblicato due eccellenti libri a colori che presentano alcune delle sue ricerche sull'alta tensione e sulle figure di Lichtenberg.
Sebbene questi libri siano ora piuttosto piccoli, una copia del primo libro di Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, è stata resa disponibile grazie agli sforzi gentili di Geoff Beharry al Museum of Electrotherapy all'inizio del secolo.
A metà degli anni '20, von Hippel lo scoprì Le figure di Lichtenberg sono in realtà il risultato di complesse interazioni tra scariche a corona, o minuscole scintille elettriche chiamate stelle filanti, e la superficie dielettrica sottostante.
Le scariche elettriche applicano corrispondenti "modelli" di carica elettrica alla superficie dielettrica sottostante, dove si legano temporaneamente. Von Hippel ha anche scoperto che l'aumento della tensione applicata o la diminuzione della pressione del gas circostante portava ad un aumento della lunghezza e del diametro dei singoli percorsi.
Peter Ries scoprì che il diametro della figura positiva di Lichtenberg era circa 2,8 volte il diametro della figura negativa ottenuta alla stessa tensione.
Le relazioni tra le dimensioni delle figure di Lichtenberg in funzione della tensione e della polarità sono state utilizzate nei primi strumenti di misurazione e registrazione dell'alta tensione, come il clidonografo, per misurare sia la tensione di picco che la polarità degli impulsi ad alta tensione.
Il clidonografo, a volte chiamato "fotocamera di Lichtenberg", può catturare fotograficamente le dimensioni e la forma delle figure di Lichtenberg causate da sovratensioni elettriche anomale. lungo le linee elettriche a causa di fulmini.
Le misurazioni clidonografiche hanno consentito ai ricercatori di fulmini e ai progettisti di sistemi di alimentazione negli anni '30 e '40 di misurare con precisione le tensioni indotte dai fulmini, fornendo così informazioni importanti sulle caratteristiche elettriche dei fulmini.
Queste informazioni hanno consentito agli ingegneri energetici di creare "fulmini artificiali" con caratteristiche simili in laboratorio in modo da poter testare l'efficacia di diversi approcci alla protezione dai fulmini. Da allora, la protezione contro i fulmini è diventata parte integrante della progettazione di tutti i moderni sistemi di trasmissione e distribuzione.
La figura mostra esempi di clidonogrammi di transitori ad alta tensione positivi e negativi con ampiezze diverse a seconda della polarità. Si noti come le cifre positive di Lichtenberg abbiano un diametro maggiore rispetto alle cifre negative, mentre le tensioni di picco sono della stessa grandezza.
Una versione più recente di questo dispositivo, il teinografo, utilizza una combinazione di linee di ritardo e più sensori simili a un clidonografo per catturare una serie di "istantanee" time-lapse di un transitorio, consentendo agli ingegneri di catturare la forma d'onda transitoria complessiva con l'alta tensione.
Sebbene alla fine siano stati sostituiti dalle moderne apparecchiature elettroniche, i teinografi hanno continuato ad essere utilizzati negli anni '60 per studiare il comportamento dei fulmini e dei transitori di commutazione sulle linee di trasmissione ad alta tensione.
Ormai è noto che Le figure di Lichtenberg si verificano durante la rottura elettrica di gas, liquidi isolanti e dielettrici solidi. Le figure di Lichtenberg possono essere create in nanosecondi quando viene applicata una tensione elettrica molto elevata al dielettrico, oppure possono svilupparsi per diversi anni a causa di una serie di piccoli guasti (a bassa energia).
Innumerevoli scariche parziali in superficie o all'interno di dielettrici solidi spesso creano figure di Lichtenberg di superficie 2D a crescita lenta e parzialmente conduttive o alberi elettrici 3D interni.
Gli alberi elettrici 2D si trovano spesso sulla superficie degli isolatori delle linee elettriche contaminati. Gli alberi 3D possono anche formarsi in aree nascoste alla vista umana negli isolanti a causa della presenza di piccole impurità o vuoti, o in luoghi in cui l'isolante è fisicamente danneggiato.
Poiché questi alberi parzialmente conduttori possono eventualmente causare un guasto elettrico completo dell'isolatore, prevenire la formazione e la crescita di tali "alberi" alle loro radici è fondamentale per l'affidabilità a lungo termine di tutte le apparecchiature ad alta tensione.
Le figure tridimensionali di Lichtenberg in plastica trasparente furono create per la prima volta dai fisici Arno Brasch e Fritz Lange alla fine degli anni '40. Usando il loro acceleratore di elettroni appena scoperto, hanno iniettato trilioni di elettroni liberi in campioni di plastica, provocando rotture elettriche e carbonizzazione nella forma della figura interna di Lichtenberg.
Elettroni — piccole particelle caricate negativamente che ruotano attorno ai nuclei di atomi caricati positivamente che costituiscono tutta la materia condensata. Brush e Lange hanno utilizzato impulsi ad alta tensione dal generatore multimilionario di Marx progettato per azionare un acceleratore a fascio di elettroni pulsato.
Il loro dispositivo condensatore può generare impulsi di tre milioni di volt ed è in grado di creare una potente scarica di elettroni liberi con incredibili correnti di picco fino a 100.000 ampere.
La regione incandescente di aria altamente ionizzata creata dal fascio di elettroni ad alta corrente in uscita somigliava alla fiamma viola-bluastra di un motore a razzo.
Il set completo di immagini in bianco e nero, comprese le figure di Lichtenberg in un blocco di plastica trasparente, è recentemente diventato disponibile online.