Lichtenberg-Figuren: Geschichte, physikalisches Wirkungsprinzip
Als Lichtenberg-Figuren werden verzweigte, baumartige Muster bezeichnet, die durch elektrische Hochspannungsentladungen auf der Oberfläche oder im Inneren der Masse dielektrischer Materialien entstehen.
Lichtenbergs erste Figuren sind zweidimensional, es sind aus Staub geformte Figuren. Zum ersten Mal wurden sie 1777 von einem deutschen Physiker-Professor beobachtet Georg Christoph Lichtenberg… Luftstaub, der sich in seinem Labor auf den Oberflächen elektrisch geladener Harzplatten ablagerte, erzeugte diese ungewöhnlichen Muster.
Der Professor demonstrierte dieses Phänomen seinen Physikstudenten und berichtete auch in seinen Memoiren über diese Entdeckung. Lichtenberg bezeichnete dies als eine neue Methode zur Untersuchung der Natur und Bewegung einer elektrischen Flüssigkeit.
Ähnliches ist in Lichtenbergs Memoiren zu lesen. „Diese Muster unterscheiden sich nicht sehr vom Gravurmuster. Manchmal erscheinen fast unzählige Sterne, die Milchstraße und die großen Sonnen. Auf ihrer konvexen Seite leuchteten Regenbögen.
Das Ergebnis waren glänzende Zweige, ähnlich denen, die man sieht, wenn Feuchtigkeit an einem Fenster gefriert. Wolken unterschiedlicher Form und unterschiedlich tiefe Schatten. Der größte Eindruck für mich war jedoch, dass diese Zahlen nicht einfach zu löschen waren, da ich versucht habe, sie mit einer der üblichen Methoden zu löschen.
Ich konnte nicht verhindern, dass die Formen, die ich gerade gelöscht hatte, wieder heller leuchteten. Ich habe ein mit zähflüssigem Material beschichtetes schwarzes Papier auf die Figuren gelegt und leicht angedrückt. So konnte ich Abzüge von Figuren anfertigen, von denen sechs der Royal Society präsentiert wurden.
Diese neue Art der Bildaufnahme machte mir große Freude, da ich es mit anderen Dingen eilig hatte und weder Zeit noch Lust hatte, all diese Zeichnungen zu zeichnen oder zu zerstören. «
In seinen anschließenden Experimenten verwendete Professor Lichtenberg verschiedene elektrostatische Hochspannungsgeräte, um die Oberflächen einer Vielzahl dielektrischer Materialien wie Harz, Glas, Ebonit usw. aufzuladen.
Anschließend stäubte er eine Mischung aus Schwefel und Bleitetroxid auf die geladenen Oberflächen. Der Schwefel (der durch die Reibung im Behälter negativ geladen wurde) wurde von den positiv geladenen Oberflächen stärker angezogen.
Ebenso wurden durch Reibung geladene Bleitetroxidpartikel, die eine positive Ladung haben, von negativ geladenen Bereichen der Oberfläche angezogen. Die farbigen Pulver gaben den zuvor unsichtbaren Bereichen oberflächengebundener Ladungen eine deutlich sichtbare Form und zeigten ihre Polarität.
So wurde dem Professor klar, dass die geladenen Abschnitte der Oberfläche durch kleine Funken entstanden waren. statische Elektrizität… Als die Funken über die Oberfläche des Dielektrikums blitzten, hinterließen sie einzelne Bereiche seiner Oberfläche elektrisch aufgeladen.
Nachdem sie auf der Oberfläche des Dielektrikums aufgetaucht sind, bleiben die Ladungen dort ziemlich lange, da das Dielektrikum selbst ihre Bewegung und Streuung verhindert. Darüber hinaus stellte Lichtenberg fest, dass die Muster positiver und negativer Staubwerte deutlich unterschiedlich waren.
Die vom positiv geladenen Hochspannungsdraht erzeugten Entladungen waren sternförmig mit langen Verzweigungspfaden, während die Entladungen von der negativen Elektrode kürzer, abgerundet, fächerförmig und schalenförmig waren.
Durch sorgfältiges Platzieren von Papierbögen auf den staubigen Oberflächen entdeckte Lichtenberg, dass er Bilder auf Papier übertragen konnte. So entstanden schließlich die modernen Verfahren der Xerografie und des Laserdrucks. Er begründete die Physik, die sich aus Lichtenbergs Pulverfiguren zur modernen Wissenschaft entwickelte. zur Plasmaphysik.
Viele andere Physiker, Experimentatoren und Künstler untersuchten in den nächsten zweihundert Jahren Lichtenbergs Figuren. Zu den bemerkenswerten Forschern des 19. und 20. Jahrhunderts gehörten Physiker Gaston Plante Und Peter T. Riess.
Ende des 19. Jahrhunderts französischer Künstler und Wissenschaftler Etienne Leopold Trouvaux erstellt «Truvelo-Figuren» – jetzt bekannt als Lichtenberg-Fotofiguren – verwenden Rumkorf-Spule als Hochspannungsquelle.
Weitere Forscher waren Thomas Burton Kinreid und die Professoren Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen und Arthur von Hippel.
Die meisten modernen Forscher und Künstler haben fotografische Filme verwendet, um das schwache Licht, das von ihnen ausgeht, direkt einzufangen elektrische Entladungen.
Lord, ein wohlhabender englischer Industrieller und Hochspannungsforscher William G. Armstrong veröffentlichte zwei ausgezeichnete Bücher in Farbe, die einige seiner Forschungen zu Hochspannung und Lichtenberg-Figuren vorstellen.
Obwohl diese Bücher mittlerweile recht klein sind, wurde um die Jahrhundertwende durch die freundlichen Bemühungen von Geoff Beharry im Museum of Electrotherapy ein Exemplar von Armstrongs erstem Buch „Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions“ zur Verfügung gestellt.
Mitte der 1920er Jahre entdeckte von Hippel das Lichtenberg-Figuren sind tatsächlich das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Koronaentladungen oder winzigen elektrischen Funken, sogenannten Streamern, und der darunter liegenden dielektrischen Oberfläche.
Durch die elektrischen Entladungen werden entsprechende „Muster“ elektrischer Ladung auf die darunter liegende dielektrische Oberfläche übertragen, wo sie sich vorübergehend verbinden. Von Hippel fand außerdem heraus, dass eine Erhöhung der angelegten Spannung oder eine Verringerung des Drucks des umgebenden Gases zu einer Vergrößerung der Länge und des Durchmessers der einzelnen Pfade führte.
Peter Ries fand heraus, dass der Durchmesser der positiven Lichtenberg-Figur etwa das 2,8-fache des Durchmessers der negativen Figur betrug, die bei derselben Spannung erhalten wurde.
Beziehungen zwischen der Größe von Lichtenberg-Figuren als Funktion von Spannung und Polarität wurden in frühen Hochspannungsmess- und -aufzeichnungsgeräten wie dem Klidonographen genutzt, um sowohl die Spitzenspannung als auch die Polarität von Hochspannungsimpulsen zu messen.
Der Klidonograph, manchmal auch „Lichtenberg-Kamera“ genannt, kann die Größe und Form von Lichtenberg-Figuren, die durch anomale elektrische Überspannungen verursacht werden, fotografisch erfassen. entlang von Stromleitungen wegen Blitze.
Klidonographische Messungen ermöglichten es Blitzforschern und Energiesystemdesignern in den 1930er und 1940er Jahren, durch Blitze induzierte Spannungen genau zu messen und so wichtige Informationen über die elektrischen Eigenschaften von Blitzen zu liefern.
Diese Informationen ermöglichten es Energieingenieuren, im Labor „künstliche Blitze“ mit ähnlichen Eigenschaften zu erzeugen, um die Wirksamkeit verschiedener Ansätze zum Blitzschutz zu testen. Seitdem ist der Blitzschutz ein integraler Bestandteil der Gestaltung aller modernen Übertragungs- und Verteilungssysteme.
Die Abbildung zeigt Beispiele für Klidonogramme positiver und negativer Hochspannungstransienten mit unterschiedlichen Amplituden je nach Polarität. Beachten Sie, dass die positiven Lichtenberg-Figuren einen größeren Durchmesser haben als die negativen Figuren, während die Spitzenspannungen die gleiche Größe haben.
Eine neuere Version dieses Geräts, der Theinograph, verwendet eine Kombination aus Verzögerungsleitungen und mehreren Klidonograph-ähnlichen Sensoren, um eine Reihe von Zeitraffer-„Schnappschüssen“ eines Transienten zu erfassen, sodass Ingenieure die gesamte Transientenwellenform mit Hochspannung erfassen können.
Obwohl sie schließlich durch moderne elektronische Geräte ersetzt wurden, wurden Theinographen bis in die 1960er Jahre weiterhin verwendet, um das Verhalten von Blitzen und Schalttransienten auf Hochspannungsleitungen zu untersuchen.
Das ist mittlerweile bekannt Lichtenberg-Figuren treten beim elektrischen Durchschlag von Gasen, Isolierflüssigkeiten und festen Dielektrika auf. Lichtenberg-Figuren können innerhalb von Nanosekunden entstehen, wenn eine sehr hohe elektrische Spannung an das Dielektrikum angelegt wird, oder sie können sich über mehrere Jahre aufgrund einer Reihe kleiner (niedrigerergetischer) Ausfälle entwickeln.
Unzählige Teilentladungen an der Oberfläche oder in festen Dielektrika erzeugen oft langsam wachsende, teilweise leitende 2D-Oberflächen-Lichtenberg-Figuren oder interne 3D-Elektrobäume.
2D-Elektrobäume werden häufig auf der Oberfläche kontaminierter Stromleitungsisolatoren gefunden. 3D-Bäume können sich auch in Bereichen bilden, die dem menschlichen Blick in Isolatoren aufgrund kleiner Verunreinigungen oder Hohlräume verborgen bleiben, oder an Stellen, an denen der Isolator physisch beschädigt ist.
Da diese teilweise leitenden Bäume letztendlich zu einem vollständigen elektrischen Ausfall des Isolators führen können, ist es für die langfristige Zuverlässigkeit aller Hochspannungsgeräte von entscheidender Bedeutung, die Bildung und das Wachstum solcher „Bäume“ an ihren Wurzeln zu verhindern.
Lichtenbergs dreidimensionale Figuren aus durchsichtigem Kunststoff wurden erstmals Ende der 1940er Jahre von den Physikern Arno Brasch und Fritz Lange geschaffen. Mit ihrem neu entdeckten Elektronenbeschleuniger injizierten sie Billionen freier Elektronen in Kunststoffproben, was zu einem elektrischen Durchschlag und einer Verkohlung in Form der inneren Lichtenberg-Figur führte.
Elektronen – kleine negativ geladene Teilchen, die um die positiv geladenen Atomkerne kreisen, aus denen die gesamte kondensierte Materie besteht. Brush und Lange nutzten Hochspannungsimpulse von Marx‘ millionenschwerem Generator, der einen gepulsten Elektronenstrahlbeschleuniger antreiben sollte.
Ihr Kondensatorgerät kann Impulse von drei Millionen Volt erzeugen und ist in der Lage, eine starke Entladung freier Elektronen mit unglaublichen Spitzenströmen von bis zu 100.000 Ampere zu erzeugen.
Der leuchtende Bereich aus stark ionisierter Luft, der durch den austretenden Hochstrom-Elektronenstrahl erzeugt wurde, ähnelte der bläulich-violetten Flamme eines Raketentriebwerks.
Der komplette Satz von Schwarz-Weiß-Bildern, einschließlich Lichtenberg-Figuren in einem durchsichtigen Plastikblock, ist seit kurzem online verfügbar.