Фигура Лихтенберга (нем. Lichtenberg-Figur ), или пылевая фигура Лихтенберга , представляет собой разветвленный электрический разряд , который иногда появляется на поверхности или внутри изоляционных материалов . Фигуры Лихтенберга часто связаны с прогрессирующим ухудшением состояния высоковольтных компонентов и оборудования. Изучение плоских фигур Лихтенберга вдоль изолирующих поверхностей и трехмерных электрических деревьев внутри изоляционных материалов часто дает инженерам ценную информацию для повышения долгосрочной надежности высоковольтного оборудования. В настоящее время 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.
Фигуры Лихтенберга названы в честь немецкого физика Георга Кристофа Лихтенберга , который их первоначально открыл и изучал. 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 электрофор для генерации статического электричества высокого напряжения посредством индукции . После разряда точки высокого напряжения на поверхность изолятора он записал полученные радиальные узоры, посыпав поверхность различными порошкообразными материалами. Затем, прижимая чистые листы бумаги к этим узорам, Лихтенберг смог перенести и записать эти изображения, тем самым открыв основной принцип современной ксерографии . [1]
Это открытие также стало предшественником современной науки физики плазмы . Хотя Лихтенберг изучал только двумерные (2D) фигуры, современные исследователи высокого напряжения изучают двумерные и трехмерные фигуры ( электрические деревья ) на и внутри изоляционных материалов.
Двумерные (2D) фигуры Лихтенберга можно получить, поместив остроконечную иглу перпендикулярно поверхности непроводящей пластины, например, из смолы , эбонита или стекла . Острие располагается очень близко или соприкасается с пластиной. Источник высокого напряжения, такой как лейденская банка (тип конденсатора ) или генератор статического электричества, подается на иглу, как правило, через искровой промежуток . Это создает внезапный небольшой электрический разряд вдоль поверхности пластины. Это осаждает скрученные области заряда на поверхности пластины. Эти электрифицированные области затем проверяются путем посыпания пластины смесью порошкообразных цветов серы и свинцового сурика (Pb3O4 или тетраоксида свинца ) . [2]
Во время обработки порошкообразная сера имеет тенденцию приобретать небольшой отрицательный заряд, в то время как сурик имеет тенденцию приобретать небольшой положительный заряд. Отрицательно заряженная сера притягивается к положительно заряженным областям пластины, в то время как положительно заряженный сурик притягивается к отрицательно заряженным областям. [ необходима цитата ]
В дополнение к распределению цветов, полученному таким образом, существует также заметное различие в форме фигуры, в соответствии с полярностью электрического заряда, который был приложен к пластине. Если области заряда были положительными, на пластине видно широкое простирающееся пятно, состоящее из плотного ядра, от которого во всех направлениях расходятся ответвления. Отрицательно заряженные области значительно меньше и имеют резкую круглую или веерообразную границу, полностью лишенную ответвлений. Генрих Рудольф Герц использовал пылевые фигуры Лихтенберга в своей основополагающей работе, доказывающей электромагнитные волновые теории Максвелла . [3]
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 фигурами, по-видимому, зависит от присутствия воздуха ; поскольку эта разница имеет тенденцию исчезать, когда эксперимент проводится в вакууме . Питер Т. Рисс (исследователь 19-го века) предположил, что отрицательная электризация пластины была вызвана трением водяного пара и т. д., перемещаемого по поверхности взрывом , который сопровождает пробойный разряд в точке. Эта электризация будет способствовать распространению положительного, но препятствовать распространению отрицательного разряда. [4]
Теперь известно, что электрические заряды переносятся на поверхность изолятора посредством небольших искровых разрядов, которые возникают вдоль границы между газом и поверхностью изолятора. [5] 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 будет генерировать больший диаметр и более разветвленные фигуры. Теперь известно, что положительные фигуры Лихтенберга имеют более длинные разветвленные структуры, поскольку длинные искры в воздухе могут легче образовываться и распространяться от положительно заряженных высоковольтных клемм. Это свойство использовалось для измерения полярности переходного напряжения и величины грозовых скачков на линиях электропередач. [6]
Другой тип двумерной фигуры Лихтенберга может быть создан, когда изолирующая поверхность загрязняется полупроводниковым материалом. Когда высокое напряжение подается на поверхность, токи утечки могут вызвать локальный нагрев и прогрессирующую деградацию и обугливание основного материала. Со временем на поверхности изолятора образуются разветвленные древовидные обугленные узоры, называемые электрическими деревьями . Этот процесс деградации называется трекингом . Если токопроводящие пути в конечном итоге перекрывают изолирующее пространство, результатом является катастрофический отказ изолирующего материала. Некоторые художники намеренно наносят соленую воду на поверхность дерева или картона, а затем подают высокое напряжение на поверхность, чтобы создать сложные обугленные двумерные фигуры Лихтенберга на поверхности. [ необходима цитата ]
Разветвленные, самоподобные узоры, наблюдаемые в фигурах Лихтенберга, демонстрируют фрактальные свойства. Фигуры Лихтенберга часто возникают во время диэлектрического пробоя твердых тел, жидкостей и даже газов. Их появление и рост, по-видимому, связаны с процессом, называемым агрегацией, ограниченной диффузией (DLA). Полезная макроскопическая модель, которая объединяет 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 пластика ПММА существенно различаются, разветвленные разряды оказываются связанными. Формы разветвления, принимаемые естественной молнией, также имеют фрактальные характеристики. [8]
Фигуры Лихтенберга являются примерами природных явлений, которые демонстрируют фрактальные свойства. Возникновение и эволюция этих и других древовидных структур, которые изобилуют в природе, обобщаются конструктивным законом . Впервые опубликованный профессором Дьюка Адрианом Бежаном в 1996 году, конструктивный закон является первым принципом физики, который обобщает тенденцию в природе создавать конфигурации (узоры, конструкции), которые способствуют свободному движению наложенных токов, которые протекают через нее. Конструктивный закон предсказывает, что древовидные конструкции, описанные в этой статье, должны возникать и развиваться, чтобы способствовать движению (от точки к области) электрических токов, протекающих через них. [9]
Фигуры Лихтенберга — это папоротниковые узоры, которые могут появляться на коже жертв удара молнии и обычно исчезают в течение 24 часов. [10] Они также известны как кераунографические отметины . [11]
Удар молнии также может создать большую фигуру Лихтенберга в траве, окружающей точку удара. Иногда их можно найти на полях для гольфа или на травянистых лугах. [12] Разветвленные корневидные минеральные отложения « фульгурита » также могут быть созданы, когда песок и почва сплавляются в стекловидные трубки под воздействием сильного тепла тока.
Электрическое деревообразование часто происходит в высоковольтном оборудовании до того, как оно приведет к полному выходу из строя. Следование этим фигурам Лихтенберга в изоляции во время расследования послеаварийного отказа изоляции может быть полезным для поиска причины пробоя. По направлению и форме деревьев и их ветвей опытный инженер по высоким напряжениям может точно определить точку, где изоляция начала разрушаться, и, используя эти знания, возможно, также найти первоначальную причину. Сломанные трансформаторы, высоковольтные кабели, втулки и другое оборудование можно с пользой исследовать таким образом. Изоляция разворачивается (в случае бумажной изоляции) или нарезается тонкими ломтиками (в случае твердых изоляционных материалов). Затем результаты зарисовываются или фотографируются, чтобы создать запись процесса пробоя.
Современные фигуры Лихтенберга также могут быть созданы в твердых изоляционных материалах, таких как акрил (полиметилметакрилат или ПММА ) или стекло, путем инжекции в них пучка электронов высокой энергии из линейного ускорителя электронного пучка (или Linac , тип ускорителя частиц ). [13] Внутри Linac 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 сквозь поверхность акрила, быстро замедляясь при столкновении с молекулами внутри пластика, в конце концов останавливаясь глубоко внутри образца. Поскольку акрил является отличным электрическим изолятором, эти электроны временно захватываются внутри образца, образуя плоскость избыточного отрицательного заряда. При постоянном облучении количество захваченного заряда нарастает, 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 процессе, называемом диэлектрическим пробоем .
Во время пробоя ветвящиеся древовидные или папоротниковые проводящие каналы быстро образуются и распространяются через пластик, позволяя захваченному заряду внезапно вырваться наружу в миниатюрной вспышке молнии и грохоте. Пробой заряженного образца также можно вручную вызвать, ткнув пластик заостренным проводящим предметом, чтобы создать точку чрезмерного напряжения. Во время разряда мощные электрические искры оставляют после себя тысячи разветвленных цепей трещин, создавая постоянную фигуру Лихтенберга внутри образца. Хотя внутренний заряд внутри образца отрицательный, разряд инициируется с положительно заряженных внешних поверхностей образца, так что результирующий разряд создает положительную фигуру Лихтенберга. Эти объекты иногда называют электронными деревьями , лучевыми деревьями или молниевыми деревьями .
Поскольку электроны быстро замедляются внутри акрила, они также генерируют мощное рентгеновское излучение . Остаточные электроны и рентгеновское излучение затемняют акрил, вводя дефекты (центры окраски) в процессе, называемом соляризацией . Соляризация изначально придает акриловым образцам цвет лайма, который затем меняется на янтарный после разрядки образца. Цвет обычно со временем тускнеет, а мягкий нагрев в сочетании с кислородом ускоряет процесс выцветания. [15]
Фигуры Лихтенберга также можно изготавливать на дереве. Типы древесины и узоры волокон влияют на форму изготавливаемой фигуры Лихтенберга. [16] При нанесении слоя электролитического раствора на поверхность дерева сопротивление поверхности значительно падает. Затем на дерево помещают два электрода, и через них пропускают высокое напряжение. Ток от электродов заставит поверхность дерева нагреваться, пока электролит не закипит и деревянная поверхность не сгорит. Поскольку обугленная поверхность дерева является слабопроводящей, поверхность дерева будет гореть в узоре, направленном наружу от электродов. Этот процесс может быть опасным, приводя к гибели людей каждый год от удара током. [17]
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )