Figuras de Lichtenberg: historia, principio físico del impacto.
Las figuras de Lichtenberg se denominan patrones ramificados en forma de árbol obtenidos al pasar descargas eléctricas de alto voltaje en la superficie o dentro de la mayor parte de los materiales dieléctricos.
Las primeras figuras de Lichtenberg son bidimensionales, son figuras formadas a partir de polvo. Por primera vez fueron observados en 1777 por un físico alemán - profesor Georg Christoph Lichtenberg… El polvo transportado por el aire que se depositó en las superficies de las placas de resina cargadas eléctricamente en su laboratorio creó estos patrones inusuales.
El profesor demostró este fenómeno a sus alumnos de física, también habló de este descubrimiento en sus memorias. Lichtenberg escribió sobre esto como un nuevo método para estudiar la naturaleza y el movimiento de un fluido eléctrico.
Algo similar se puede leer en las memorias de Lichtenberg. “Estos patrones no son muy diferentes del patrón de grabado. A veces aparecen casi innumerables estrellas, la Vía Láctea y los grandes soles. Los arcoíris brillaban en su lado convexo.
El resultado fueron ramitas brillantes similares a las que se pueden ver cuando la humedad se congela en una ventana. Nubes de diferentes formas y sombras de diferentes profundidades. Pero la mayor impresión para mí fue que estos números no eran fáciles de borrar porque traté de borrarlos por cualquiera de los métodos habituales.
No pude evitar que las formas que acababa de borrar brillaran de nuevo, más brillantes. Coloqué una hoja de papel negro recubierto con material viscoso sobre las figuras y la presioné ligeramente. Así pude hacer impresiones de figuras, seis de las cuales fueron presentadas a la Royal Society.
Este nuevo tipo de adquisición de imágenes me hizo muy feliz porque tenía prisa por hacer otras cosas y no tenía tiempo ni ganas de dibujar o destruir todos estos dibujos. «
En sus experimentos posteriores, el profesor Lichtenberg utilizó varios dispositivos electrostáticos de alto voltaje para cargar las superficies de una amplia variedad de materiales dieléctricos como resina, vidrio, ebonita...
Luego espolvoreó una mezcla de azufre y tetróxido de plomo en las superficies cargadas. El azufre (que se cargó negativamente por la fricción en el recipiente) fue más atraído por las superficies cargadas positivamente.
Del mismo modo, las partículas de tetróxido de plomo cargadas por fricción que tienen una carga positiva fueron atraídas a las regiones cargadas negativamente de la superficie. Los polvos coloreados dieron a las regiones previamente invisibles de las cargas unidas a la superficie una forma claramente visible y mostraron su polaridad.
Así quedó claro para el profesor que las secciones cargadas de la superficie estaban formadas por pequeñas chispas. electricidad estática… Las chispas, al atravesar la superficie del dieléctrico, dejaron áreas separadas de su superficie cargadas eléctricamente.
Después de aparecer en la superficie del dieléctrico, las cargas permanecen allí durante bastante tiempo, ya que el propio dieléctrico impide su movimiento y dispersión. Además, Lichtenberg descubrió que los patrones de valores de polvo positivos y negativos eran significativamente diferentes.
Las descargas producidas por el cable de alto voltaje con carga positiva tenían forma de estrella con largas trayectorias de ramificación, mientras que las descargas del electrodo negativo eran más cortas, redondeadas, en forma de abanico y con forma de concha.
Al colocar con cuidado hojas de papel sobre las superficies polvorientas, Lichtenberg descubrió que podía transferir imágenes al papel. Así, finalmente se formaron los procesos modernos de xerografía e impresión láser.. Él fundó la física que evolucionó de las figuras de polvo de Lichtenberg a la ciencia moderna. sobre la física del plasma.
Muchos otros físicos, experimentadores y artistas estudiaron las figuras de Lichtenberg durante los siguientes doscientos años. Investigadores notables de los siglos XIX y XX incluyeron físicos Gastón Plante y Pedro T. Riess.
A finales del siglo XIX, un artista y científico francés Étienne Leopold Trouvaux creado «Figuras de Truvelo» - ahora conocido como Figuras fotográficas de Lichtenberg - usando Bobina Rumkorf como fuente de alto voltaje.
Otros investigadores fueron Thomas Burton Kinreid y los profesores Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen y Arthur von Hippel.
La mayoría de los investigadores y artistas modernos han utilizado películas fotográficas para capturar directamente la tenue luz emitida por descargas electricas.
Un rico industrial inglés e investigador de alto voltaje, Lord Guillermo G. Armstrong publicó dos excelentes libros a todo color que presentan algunas de sus investigaciones sobre alto voltaje y figuras de Lichtenberg.
Aunque estos libros ahora son bastante pequeños, una copia del primer libro de Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, estuvo disponible gracias a los amables esfuerzos de Geoff Beharry en el Museo de Electroterapia a principios de siglo.
A mediados de la década de 1920, von Hippel descubrió que Las figuras de Lichtenberg son en realidad el resultado de interacciones complejas entre las descargas de corona, o pequeñas chispas eléctricas llamadas serpentinas, y la superficie dieléctrica debajo.
Las descargas eléctricas aplican "patrones" correspondientes de carga eléctrica a la superficie dieléctrica debajo, donde se unen temporalmente. Von Hippel también descubrió que aumentar el voltaje aplicado o disminuir la presión del gas circundante conducía a un aumento en la longitud y el diámetro de los caminos individuales.
Peter Ries descubrió que el diámetro de la figura positiva de Lichtenberg era aproximadamente 2,8 veces el diámetro de la figura negativa obtenida con el mismo voltaje.
Las relaciones entre el tamaño de las figuras de Lichtenberg en función del voltaje y la polaridad se utilizaron en los primeros instrumentos de medición y registro de alto voltaje, como el clidonógrafo, para medir tanto el voltaje máximo como la polaridad de los pulsos de alto voltaje.
El clidonógrafo, a veces llamado "cámara de Lichtenberg", puede capturar fotográficamente el tamaño y la forma de las figuras de Lichtenberg causadas por sobretensiones eléctricas anómalas. a lo largo de las líneas eléctricas debido a relámpagos.
Las mediciones clidonográficas permitieron a los investigadores de rayos y a los diseñadores de sistemas de energía en las décadas de 1930 y 1940 medir con precisión los voltajes inducidos por rayos, lo que proporcionó información importante sobre las características eléctricas de los rayos.
Esta información permitió a los ingenieros eléctricos crear "rayos artificiales" con características similares en el laboratorio para que pudieran probar la eficacia de diferentes enfoques para la protección contra rayos. Desde entonces, la protección contra rayos se ha convertido en una parte integral del diseño de todos los sistemas modernos de transmisión y distribución.
La figura muestra ejemplos de clidonogramas de transitorios de alta tensión positivos y negativos con diferentes amplitudes dependiendo de la polaridad. Observe cómo las figuras positivas de Lichtenberg tienen un diámetro mayor que las figuras negativas, mientras que los voltajes máximos son de la misma magnitud.
Una versión más nueva de este dispositivo, el teinógrafo, utiliza una combinación de líneas de retardo y múltiples sensores similares a clidonógrafos para capturar una serie de "instantáneas" de lapso de tiempo de un transitorio, lo que permite a los ingenieros capturar la forma de onda transitoria general con alto voltaje.
Aunque finalmente fueron reemplazados por equipos electrónicos modernos, los teinógrafos continuaron utilizándose hasta la década de 1960 para estudiar el comportamiento de los rayos y los transitorios de conmutación en las líneas de transmisión de alto voltaje.
Ahora se sabe que Las figuras de Lichtenberg ocurren durante la ruptura eléctrica de gases, líquidos aislantes y dieléctricos sólidos. Las figuras de Lichtenberg se pueden crear en nanosegundos cuando se aplica un voltaje eléctrico muy alto al dieléctrico, o se pueden desarrollar durante varios años debido a una serie de fallas pequeñas (de baja energía).
Innumerables descargas parciales en la superficie o dentro de dieléctricos sólidos a menudo crean figuras de Lichtenberg de superficie 2D parcialmente conductoras de crecimiento lento o árboles eléctricos 3D internos.
Los árboles eléctricos 2D a menudo se encuentran en la superficie de los aisladores de líneas eléctricas contaminadas. Los árboles 3D también pueden formarse en áreas ocultas a la vista humana en aisladores debido a la presencia de pequeñas impurezas o huecos, o en lugares donde el aislador está físicamente dañado.
Dado que estos árboles parcialmente conductores pueden eventualmente causar una falla eléctrica completa del aislador, prevenir la formación y el crecimiento de tales "árboles" en sus raíces es fundamental para la confiabilidad a largo plazo de todos los equipos de alto voltaje.
Las figuras tridimensionales de Lichtenberg en plástico transparente fueron creadas por primera vez por los físicos Arno Brasch y Fritz Lange a fines de la década de 1940. Usando su acelerador de electrones recién descubierto, inyectaron billones de electrones libres en muestras de plástico, provocando una ruptura eléctrica y carbonización en la forma de la figura interna de Lichtenberg.
electrones — pequeñas partículas cargadas negativamente que giran alrededor de los núcleos de átomos cargados positivamente que forman toda la materia condensada. Brush y Lange utilizaron pulsos de alto voltaje del generador multimillonario de Marx diseñado para impulsar un acelerador de haz de electrones pulsados.
Su dispositivo condensador puede generar pulsos de tres millones de voltios y es capaz de crear una poderosa descarga de electrones libres con increíbles picos de corriente de hasta 100.000 amperios.
La región brillante de aire altamente ionizado creada por el haz de electrones de alta corriente saliente se parecía a la llama violeta azulada de un motor de cohete.
El conjunto completo de imágenes en blanco y negro, incluidas las figuras de Lichtenberg en un bloque de plástico transparente, está disponible en línea recientemente.