Фигура Лихтенберга ( нем. Lichtenberg-Figuren ), 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.
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 статического электричества высокого напряжения 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.
Двумерные (2D) фигуры Лихтенберга можно получить, поместив острую иглу перпендикулярно поверхности непроводящей пластины, например, из смолы , эбонита или стекла . Точка расположена очень близко к пластине или касается ее. К игле подается источник высокого напряжения, такой как лейденская банка (разновидность конденсатора ) или генератор статического электричества , 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 пластину смесью порошкообразных цветков серы и свинцового сурика (Pb 3 O 4 или четырехокись свинца ). [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, тогда как положительно наэлектризованный сурик притягивается к отрицательно наэлектризованным участкам. [ нужна цитата ]
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]
Если на пластину поступает 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 токопроводящие 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 цитата ]
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]
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]
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 маркировки . [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 отложения « фульгурита » также могут образовываться, когда песок и почва сплавляются в стеклянные трубки под воздействием сильного тепла потока.
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. Опытный инженер-электрик по направлению и форме деревьев и их ветвей может увидеть, где находилась первопричина поломки, и, возможно, найти первопричину. 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.
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 по пластику разветвленные древовидные или папоротниковые проводящие каналы, 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]
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]
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )