Figuras de Lichtenberg: história, princípio físico do impacto

As figuras de Lichtenberg são chamadas de padrões ramificados, semelhantes a árvores, obtidos pela passagem de descargas elétricas de alta tensão na superfície ou dentro da massa de materiais dielétricos.

As primeiras figuras de Lichtenberg são bidimensionais, são figuras formadas a partir do pó. Pela primeira vez foram observados em 1777 por um físico alemão - professor Georg Christoph Lichtenberg… A poeira transportada pelo ar que se depositou nas superfícies das placas de resina eletricamente carregadas em seu laboratório criou esses padrões incomuns.

O professor demonstrou esse fenômeno para seus alunos de física, ele também falou sobre essa descoberta em suas memórias. Lichtenberg escreveu sobre isso como um novo método de estudar a natureza e o movimento de um fluido elétrico.

Algo semelhante pode ser lido nas memórias de Lichtenberg. “Esses padrões não são muito diferentes do padrão de gravação. Às vezes aparecem quase incontáveis ​​estrelas, a Via Láctea e os grandes sóis. Arco-íris brilhavam em seu lado convexo.

O resultado foram galhos brilhantes semelhantes aos que podem ser vistos quando a umidade congela em uma janela. Nuvens de diferentes formas e sombras de diferentes profundidades. Mas a maior impressão para mim foi que esses números não eram fáceis de apagar porque tentei apagá-los por qualquer um dos métodos usuais.

Não consegui impedir que as formas que acabara de apagar brilhassem novamente, mais brilhantes. Coloquei uma folha de papel preto revestida com material viscoso sobre as figuras e pressionei levemente. Pude, assim, fazer impressões de figuras, seis das quais foram apresentadas à Royal Society.

Esse novo tipo de aquisição de imagens me deixou extremamente feliz porque eu estava com pressa de fazer outras coisas e não tinha tempo nem vontade de desenhar ou destruir todos esses desenhos. «

Em seus experimentos subsequentes, o professor Lichtenberg usou vários dispositivos eletrostáticos de alta tensão para carregar as superfícies de uma ampla variedade de materiais dielétricos, como resina, vidro, ebonite...

Ele então espanou uma mistura de enxofre e tetróxido de chumbo nas superfícies carregadas. O enxofre (que ficou carregado negativamente pelo atrito no recipiente) foi mais atraído pelas superfícies carregadas positivamente.

Da mesma forma, partículas de tetróxido de chumbo carregadas por fricção que têm carga positiva foram atraídas para regiões carregadas negativamente da superfície. Os pós coloridos deram às regiões anteriormente invisíveis de cargas ligadas à superfície uma forma clara e visível e mostraram sua polaridade.

Assim ficou claro para o professor que as seções carregadas da superfície eram formadas por pequenas faíscas. eletricidade estática… As faíscas, ao passarem pela superfície do dielétrico, deixaram áreas separadas de sua superfície eletricamente carregadas.

Depois de aparecer na superfície do dielétrico, as cargas permanecem ali por um bom tempo, pois o próprio dielétrico impede seu movimento e dispersão. Além disso, Lichtenberg descobriu que os padrões de valores de poeira positivos e negativos eram significativamente diferentes.

As descargas produzidas pelo fio de alta tensão carregado positivamente eram em forma de estrela com longos caminhos ramificados, enquanto as descargas do eletrodo negativo eram mais curtas, arredondadas, em forma de leque e semelhantes a conchas.

Colocando cuidadosamente folhas de papel nas superfícies empoeiradas, Lichtenberg descobriu que podia transferir imagens para o papel. Assim, os processos modernos de xerografia e impressão a laser foram eventualmente formados.Ele fundou a física que evoluiu das figuras em pó de Lichtenberg para a ciência moderna. sobre física de plasma.

Muitos outros físicos, experimentadores e artistas estudaram as figuras de Lichtenberg nos duzentos anos seguintes. Pesquisadores notáveis ​​dos séculos 19 e 20 incluíram físicos Gastón Planta e Peter T. Riess.

No final do século XIX, um artista e cientista francês Etienne Leopold Trouvaux criada «Figuras Truvelo» - agora conhecido como Lichtenberg figuras fotográficas - usando Bobina Rumkorf como fonte de alta tensão.

Outros pesquisadores foram Thomas Burton Kinreid e os professores Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen e Arthur von Hippel.

A maioria dos pesquisadores e artistas modernos usaram filmes fotográficos para capturar diretamente a luz fraca emitida por descargas elétricas.

Um rico industrial inglês e pesquisador de alta tensão, Lord William G. Armstrong publicou dois excelentes livros coloridos que apresentam algumas de suas pesquisas sobre alta tensão e figuras de Lichtenberg.

Embora esses livros sejam agora bem pequenos, uma cópia do primeiro livro de Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, foi disponibilizada através dos esforços de Geoff Beharry no Museum of Electrotherapy na virada do século.

Em meados da década de 1920, von Hippel descobriu que As figuras de Lichtenberg são, na verdade, o resultado de interações complexas entre descargas de coroa, ou minúsculas faíscas elétricas chamadas streamers, e a superfície dielétrica abaixo.

As descargas elétricas aplicam "padrões" correspondentes de carga elétrica à superfície dielétrica abaixo, onde se ligam temporariamente. Von Hippel também descobriu que aumentar a voltagem aplicada ou diminuir a pressão do gás ao redor levava a um aumento no comprimento e no diâmetro dos caminhos individuais.

Peter Ries descobriu que o diâmetro da figura positiva de Lichtenberg era cerca de 2,8 vezes o diâmetro da figura negativa obtida na mesma voltagem.

As relações entre o tamanho das figuras de Lichtenberg em função da voltagem e da polaridade foram usadas nos primeiros instrumentos de medição e registro de alta voltagem, como o clidonógrafo, para medir tanto a voltagem de pico quanto a polaridade dos pulsos de alta voltagem.

O clidonógrafo, às vezes chamado de "câmera de Lichtenberg", pode capturar fotograficamente o tamanho e a forma das figuras de Lichtenberg causadas por surtos elétricos anômalos. ao longo das linhas de energia devido a raios.

As medições clidonográficas permitiram que pesquisadores de raios e projetistas de sistemas de energia nas décadas de 1930 e 1940 medissem com precisão as tensões induzidas por raios, fornecendo assim informações importantes sobre as características elétricas dos raios.

Essas informações permitiram que os engenheiros de energia criassem "relâmpagos artificiais" com características semelhantes em laboratório, para que pudessem testar a eficácia de diferentes abordagens de proteção contra raios. Desde então, a proteção contra raios tornou-se parte integrante do projeto de todos os sistemas modernos de transmissão e distribuição.

A figura mostra exemplos de clidonogramas de transientes de alta tensão positivos e negativos com diferentes amplitudes dependendo da polaridade. Observe como as figuras positivas de Lichtenberg são maiores em diâmetro do que as negativas, enquanto as tensões de pico são da mesma magnitude.

Uma versão mais recente deste dispositivo, o theinograph, usa uma combinação de linhas de atraso e vários sensores semelhantes a clidonógrafos para capturar uma série de "instantâneos" de lapso de tempo de um transiente, permitindo que os engenheiros capturem a forma de onda transitória geral com alta tensão.

Embora tenham sido substituídos por equipamentos eletrônicos modernos, os teinógrafos continuaram a ser usados ​​na década de 1960 para estudar o comportamento de raios e transientes de comutação em linhas de transmissão de alta tensão.

Agora se sabe que As figuras de Lichtenberg ocorrem durante a quebra elétrica de gases, líquidos isolantes e dielétricos sólidos. As figuras de Lichtenberg podem ser criadas em nanossegundos quando uma tensão elétrica muito alta é aplicada ao dielétrico, ou podem se desenvolver ao longo de vários anos devido a uma série de pequenas falhas (de baixa energia).

Inúmeras descargas parciais na superfície ou dentro de dielétricos sólidos geralmente criam figuras de Lichtenberg de superfície 2D parcialmente condutoras de crescimento lento ou árvores elétricas 3D internas.

Árvores elétricas 2D são frequentemente encontradas na superfície de isoladores de linha de energia contaminados. Árvores 3D também podem se formar em áreas escondidas da visão humana em isoladores devido à presença de pequenas impurezas ou vazios, ou em locais onde o isolador está fisicamente danificado.

Uma vez que essas árvores parcialmente condutoras podem eventualmente causar falha elétrica completa do isolador, prevenir a formação e o crescimento de tais "árvores" em suas raízes é fundamental para a confiabilidade a longo prazo de todos os equipamentos de alta tensão.

As figuras tridimensionais de Lichtenberg em plástico transparente foram criadas pela primeira vez pelos físicos Arno Brasch e Fritz Lange no final dos anos 1940. Usando seu recém-descoberto acelerador de elétrons, eles injetaram trilhões de elétrons livres em amostras de plástico, causando quebra elétrica e carbonização na forma da figura interna de Lichtenberg.

elétrons — pequenas partículas carregadas negativamente que giram em torno dos núcleos carregados positivamente de átomos que compõem toda a matéria condensada. Brush e Lange usaram pulsos de alta voltagem do gerador multimilionário de Marx projetado para acionar um acelerador de feixe de elétrons pulsados.

Seu dispositivo capacitor pode gerar pulsos de três milhões de volts e é capaz de criar uma poderosa descarga de elétrons livres com incríveis correntes de pico de até 100.000 amperes.

A região brilhante de ar altamente ionizado criada pelo feixe de elétrons de alta corrente de saída se assemelhava à chama violeta-azulada de um motor de foguete.

O conjunto completo de imagens em preto e branco, incluindo figuras de Lichtenberg em um bloco de plástico transparente, foi recentemente disponibilizado online.