фигура Лихтенберга
Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с дерева молнии )
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Молниеносное дерево» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о песне «The Lightning Tree», см . Follyfoot .
Современные трехмерные фигуры Лихтенберга или « электрическое дерево » в блоке из прозрачного акрила, созданные путем облучения блока электронным лучом . Фактический размер: 80 мм × 80 мм × 50 мм (3 дюйма × 3 дюйма × 2 дюйма)
Легкая ветвящаяся краснота, идущая вверх по ноге этого человека, была создана током от близлежащего удара молнии .

Фигура Лихтенберга (нем . Lichtenberg-Figuren ), или пылевая фигура Лихтенберга , — ветвящийся электрический разряд , иногда возникающий на поверхности или внутри изоляционных материалов . Цифры Лихтенберга часто связаны с прогрессирующим износом 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. 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. Возникновение древовидных структур в природе обобщается конструктивным законом .

История

Фигуры Лихтенберга названы в честь немецкого физика Георга Кристофа Лихтенберга , который первоначально их обнаружил и изучил. Когда они были впервые обнаружены, считалось, что их характерные формы могут помочь раскрыть природу положительных и отрицательных электрических «флюидов».

В 1777 году Лихтенберг построил большой электрофорус для выработки статического электричества высокого напряжения посредством индукции . Разрядив точку высокого напряжения на поверхности изолятора, он записал получившиеся радиальные узоры, посыпая поверхность различными порошкообразными материалами. Затем, прижав к этим шаблонам чистые листы бумаги, Лихтенберг смог перенести и записать эти изображения, тем самым открыв основной принцип современной ксерографии . [1]

Это открытие было также предшественником современной науки физики плазмы . Хотя Лихтенберг изучал только двухмерные (2D) фигуры, современные исследователи высоких напряжений изучают двухмерные и трехмерные 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 или касается пластины. Источник высокого напряжения, такой как лейденская банка (разновидность конденсатора ) или генератор статического электричества , подается на иглу, как правило, через искровой разрядник . Это создает внезапный небольшой электрический разряд .вдоль поверхности пластины. Это откладывает скрученные области заряда на поверхность пластины. Затем эти наэлектризованные области проверяют, посыпая пластину смесью порошкообразных цветов серы и сурика (Pb 3 O 4 или четырехокиси свинца ). [2]

При обращении порошкообразная сера имеет тенденцию приобретать небольшой отрицательный заряд, в то время как сурик имеет тенденцию приобретать небольшой положительный заряд. Отрицательно наэлектризованная сера притягивается к положительно наэлектризованным областям пластины, в то время как положительно наэлектризованный красный свинец притягивается к отрицательно наэлектризованным областям.

В дополнение к полученному таким образом распределению цветов, существует также заметная разница в форме фигуры в зависимости от полярности электрического заряда, приложенного к пластине. Если участки заряда были положительными, то на пластинке видно широко простирающееся пятно, состоящее из плотного ядра, от которого во все стороны расходятся ответвления. Отрицательно заряженные области значительно меньше по размеру и имеют резкую кольцевую или веерообразную границу, полностью лишенную разветвлений. Генрих Рудольф Герц использовал фигуры пыли Лихтенберга в своей основополагающей работе, доказывающей теорию электромагнитных волн Максвелла . [3]

Обугленные дорожки высоковольтного разряда пересекают поверхность листа поликарбоната .

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 19 века) предположил, что отрицательная электризация пластины была вызвана трением водяного пара и т. д., движущегося по поверхности в результате взрыва , сопровождающего пробойный разряд .в точку. Эта электризация благоприятствовала бы распространению положительного, но препятствовала бы распространению отрицательного разряда. [4]

В настоящее время известно, что электрические заряды передаются на поверхность изолятора через небольшие искровые разряды, возникающие вдоль границы между газом и поверхностью изолятора. [5]После переноса в изолятор эти избыточные заряды временно теряются. Формы результирующих распределений заряда отражают форму искровых разрядов, которые, в свою очередь, зависят от полярности высокого напряжения и давления газа. Использование более высокого приложенного напряжения приведет к большему диаметру и более разветвленным фигурам. 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 высоковольтных клемм. Это свойство использовалось для измерения полярности переходного напряжения и величины грозовых перенапряжений на линиях электропередач. [6]

Другой тип двумерной фигуры Лихтенберга может быть создан, когда изолирующая поверхность загрязняется полупроводниковым материалом. Когда к поверхности прикладывается высокое напряжение, токи утечки могут вызвать локальный нагрев и прогрессирующую деградацию и обугливание нижележащего материала. Со временем на поверхности изолятора образуются ветвящиеся древовидные обугленные узоры, называемые электрическими деревьями . Этот процесс деградации называется отслеживанием . Если токопроводящие дорожки в конечном итоге перекрывают изолирующее 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

Ветвящиеся самоподобные узоры, наблюдаемые на фигурах Лихтенберга, обладают фрактальными свойствами. Фигуры Лихтенберга часто возникают при пробое диэлектриков 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 Вейсманном в 1984 году и известна как модель пробоя диэлектрика (DBM). [7]

Хотя электрические механизмы пробоя воздуха и ПММА-пластика существенно различаются, ветвящиеся разряды оказываются родственными. Формы ветвления, принимаемые естественной молнией, также имеют фрактальные характеристики. [8]

Конструктивное право

Фигуры Лихтенберга являются примерами природных явлений, обладающих фрактальными свойствами. Возникновение и эволюция этих и других древовидных структур, которыми изобилует природа, обобщаются конструктивным законом . Конструктивный закон, впервые опубликованный профессором Дьюка Адрианом Бежаном в 1996 году, является первым принципом физики, который обобщает тенденцию природы создавать конфигурации (шаблоны, узоры), которые облегчают свободное движение навязанных токов, протекающих через нее. Конструктивный закон предсказывает, что древовидные конструкции, описанные в этой статье, должны возникать и развиваться, чтобы облегчить движение (точка-площадь) электрических токов, протекающих через них. [9]

Природные явления

Молния - это естественная трехмерная фигура Лихтенберга.

Фигуры Лихтенберга представляют собой папоротниковые узоры, которые могут появиться на коже жертв удара молнии и исчезнуть через 24 часа. [10]

Удар молнии также может создать большую фигуру Лихтенберга в траве вокруг места удара. Иногда их можно найти на полях для гольфа или на травянистых лугах. [11] Разветвленные корневидные « фульгуритовые » залежи полезных ископаемых также могут образовываться по мере того, как песок и почва сплавляются в стеклянные трубки под действием сильного тепла течения.

Электрическое триинг часто происходит в высоковольтном оборудовании до полного выхода из строя. Следование этим цифрам Лихтенберга в изоляции во время послеаварийного расследования повреждения изоляции может быть полезным для установления причины пробоя. Опытный специалист по высоким напряжениям может по направлению и форме деревьев и их ветвей увидеть, где находилась первопричина поломки, и, возможно, найти первопричину. Таким образом можно с пользой исследовать вышедшие из строя трансформаторы, высоковольтные кабели, вводы и другое оборудование. Изоляцию раскатывают (в случае бумажной изоляции) или нарезают на тонкие ломтики (в случае твердых изоляционных материалов). Затем результаты зарисовываются или фотографируются, чтобы создать запись процесса разрушения.

В изоляционных материалах

Современные фигуры Лихтенберга также могут быть созданы из твердых изоляционных материалов, таких как акрил (полиметилметакрилат или ПММА ) или стекло, путем введения в них пучка высокоскоростных электронов от линейного ускорителя электронного луча (или Linac , тип ускорителя частиц ). [12] Внутри линейного ускорителя электроны фокусируются и ускоряются, образуя пучок высокоскоростных частиц. Электроны, выходящие из ускорителя, имеют энергию до 25 МэВ и движутся со скоростью, составляющей значительную часть (95–99+ процентов) скорости света ( релятивистские скорости).

Фигура Лихтенберга, запечатленная в акриловом блоке

Если электронный пучок направлен на толстый образец акрила, электроны легко проникают через поверхность акрила, быстро замедляясь при столкновении с молекулами внутри пластика, и в конце концов останавливаются глубоко внутри образца. Поскольку акрил является отличным электрическим изолятором, эти электроны временно захватываются в образце, образуя плоскость избыточного отрицательного заряда. При продолжительном облучении количество захваченного заряда увеличивается до тех пор, пока эффективное напряжение внутри образца не достигнет миллионов вольт. [13] Как только электрическое напряжение превышает диэлектрическую прочность пластика, некоторые части внезапно становятся проводящими в процессе, называемом диэлектрическим пробоем .

Во время пробоя проводящие каналы, напоминающие ветви дерева или папоротника, быстро образуются и распространяются по пластику, позволяя захваченному заряду внезапно вырваться наружу в виде миниатюрной молнии , подобной вспышке и взрыву. Пробой заряженного образца также можно вызвать вручную, проткнув пластик заостренным проводящим предметом, чтобы создать точку чрезмерного напряжения. Во время разряда мощные электрические искрыоставляют после себя тысячи разветвленных цепочек изломов, создавая постоянную фигуру Лихтенберга внутри образца. Хотя внутренний заряд внутри образца отрицательный, разряд инициируется положительно заряженными внешними поверхностями образца, так что результирующий разряд создает положительную фигуру Лихтенберга. Эти объекты иногда называют электронными деревьями , лучевыми деревьями или молниеносными деревьями .

Поскольку электроны быстро замедляются внутри акрила, они также генерируют мощное рентгеновское излучение . Остаточные электроны и рентгеновские лучи затемняют акрил, создавая дефекты (центры окраски) в процессе, называемом соляризацией . Соляризация первоначально окрашивает акриловые образцы в лимонно-зеленый цвет, который затем меняется на янтарный после того, как образец был разряжен. Цвет обычно тускнеет со временем, а мягкое нагревание в сочетании с кислородом ускоряет процесс выцветания. [14]

На дереве

Ветвящаяся фигура Лихтенберга из леопардового дерева

Фигуры Лихтенберга также могут быть изготовлены из дерева. Типы древесины и узоры волокон влияют на форму производимой фигуры Лихтенберга. [15] При нанесении слоя электролитического раствора на поверхность древесины сопротивление поверхности значительно падает. Затем на древесину помещают два электрода и пропускают через них высокое напряжение. Ток от электродов будет вызывать 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 рисунку наружу от электродов. Этот процесс может быть опасным, ежегодно приводя к гибели людей от поражения электрическим током. [16]

Смотрите также

  • Броуновское дерево
  • Застенчивость короны
  • Модель пробоя диэлектрика
  • Фрактальная кривая
  • Кирлиан фотография
  • Молниеносный ожог
  • Узоры в природе
  • Диффузионно-ограниченная агрегация

использованная литература

  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 . Эльзевир БВ. 6 (1): 1–13. doi : 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). "Ueber elektrische Figuren und Bilder" . Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке). Уайли. 145 (9): 1–44. Бибкод : 1846AnP...145....1R . doi : 10.1002/andp.18461450902 . ISSN 0003-3804 . 
  5. ^ Меррилл, FH; Фон Хиппель, А. (1939). «Атомофизическая интерпретация фигур Лихтенберга и их применение к изучению явлений газового разряда». Журнал прикладной физики . Издательство АИП. 10 (12): 873–887. Бибкод : 1939JAP....10..873M . дои : 10.1063/1.1707274 . ISSN 0021-8979 . 
  6. ^ Кокс, Дж. Х.; Легг, Дж. В. (1925). «Клидонограф и его применение для исследования всплесков». Труды Американского института инженеров-электриков . Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). XLIV : 857–871. doi : 10.1109/t-aiee.1925.5061173 . ISSN 0096-3860 . S2CID 51647052 .  
  7. ^ Нимейер, Л .; Пьетронеро, Л.; Висманн, Х. Дж. (19 марта 1984 г.). «Фрактальная размерность диэлектрического пробоя». Физические обзорные письма . Американское физическое общество (APS). 52 (12): 1033–1036. Бибкод : 1984PhRvL..52.1033N . doi : 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 в 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.; Стапчински, Дж. Стефан; Ма, О. Джон; Йели, Дональд М.; и другие. (ред.). Повреждения электрическим током и молнией . Неотложная медицина Тинтиналли: всестороннее учебное пособие (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill.
  11. ^ «Молния и фигуры Лихтенберга» Майкла Черингтона, Шерил Олсон и Филипа Р. Ярнелла, Травма: Международный журнал ухода за ранеными, том 34, выпуск 5, май 2003 г., страницы 367–371.
  12. ^ Гросс, Бернхард (1958). «Эффекты облучения в оргстекле». Журнал науки о полимерах . Уайли. 27 (115): 135–143. Бибкод : 1958JPoSc..27..135G . doi : 10.1002/pol.1958.1202711511 . ISSN 0022-3832 . 
  13. ^ Гросс, Бернхард; Набло, Сэм В. (1967). «Высокие потенциалы в диэлектриках, облученных электронами». Журнал прикладной физики . Издательство АИП. 38 (5): 2272–2275. Бибкод : 1967JAP....38.2272G . дои : 10.1063/1.1709869 . ISSN 0021-8979 . 
  14. ^ Гарднер, Дональд Г .; Тузи, Мохаммад Т.А. (1967). «Радиационно-индуцированные изменения показателя преломления, плотности и диэлектрической проницаемости поли(метилметакрилата)». Журнал прикладной науки о полимерах . Уайли. 11 (7): 1065–1078. doi : 10.1002/app.1967.070110706 . ISSN 0021-8995 . 
  15. ^ "Электрификация дерева (также известная как фигура Лихтенберга)" . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. на сайте www.youtube.com.
  16. ^ «Опасности машин Лихтенберга» - через woodturner.org.

внешняя ссылка

  • Что такое фигуры Лихтенберга и как они создаются?
  • Фигурки Лихтенберга, стекло и драгоценные камни
  • Статья в General Electric Review 1927 года о цифрах Лихтенберга
  • Модель диэлектрического пробоя (DBM)
  • Ловушка молнии в блоке . (Рисунок Лихтенберга своими руками в Popular Science)
  • Лихтенберги акрилом в 3d. 1 2 3 (Для просмотра требуется QuickTime VR.)
  • Библиография фульгуритов
  • Лихтенберг сжигание дров со сварщиком
Получено с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lichtenberg_figure&oldid=1059962056 .
Contribute a better translation