リヒテンベルグの数字: 歴史、衝撃の物理的原理
リヒテンベルグ図形は、誘電体材料の表面または内部に高電圧放電を通過させることによって得られる、枝分かれした木のようなパターンと呼ばれます。
リヒテンベルグの最初の図形は二次元であり、塵から形成された図形です。それらは1777年にドイツの物理学者教授によって初めて観察されました。 ゲオルク・クリストフ・リヒテンベルグ… 彼の研究室にある帯電した樹脂板の表面に付着した浮遊塵が、これらの異常なパターンを生み出しました。
教授はこの現象を物理学の学生たちに実演し、回想録でもこの発見について話しました。リヒテンバーグは、これを電気流体の性質と運動を研究する新しい方法として書いています。
同様のことがリヒテンベルグの回想録にも書かれています。 「これらのパターンは彫刻パターンとあまり変わりません。時には、ほぼ無数の星、天の川、大きな太陽が現れます。凸面に虹が輝いていました。
その結果、窓に湿気が凍ったときに見えるものに似た、光沢のある小枝ができました。さまざまな形の雲とさまざまな深さの影。しかし、一番印象に残ったのは、この数字を普通の方法で消そうとしたため、なかなか消えなかったということです。
消去したばかりの図形が再び明るく輝きだすのを止めることができませんでした。粘性のある素材を塗った黒い紙をフィギュアの上に置き、軽く押しました。こうして私は人物の版画を作ることができ、そのうちの 6 点が王立協会に贈られました。
私は他のことを急いでいて、これらの図面をすべて描いたり破棄したりする時間も意欲もなかったため、この新しいタイプの画像取得は非常にうれしかったです。 «
その後の実験で、リヒテンバーグ教授はさまざまな高電圧静電装置を使用して、樹脂、ガラス、エボナイトなどのさまざまな誘電材料の表面を帯電させました。
次に、硫黄と四酸化鉛の混合物を帯電した表面に振りかけました。硫黄 (容器内の摩擦によってマイナスに帯電した) は、プラスに帯電した表面にさらに引き寄せられました。
同様に、正電荷を有する摩擦帯電四酸化鉛粒子は、表面の負電荷領域に引き付けられました。着色された粉末は、これまで見えなかった表面結合電荷の領域に明確に見える形状を与え、その極性を示しました。
このようにして、表面の帯電部分が小さな火花によって形成されたことが教授には明らかになった。 静電気… スパークが誘電体の表面上で点滅すると、その表面の別々の領域が帯電したままになります。
誘電体自体が電荷の移動や分散を妨げるため、誘電体の表面に現れた後、電荷はかなり長い間そこに留まります。さらに、リヒテンバーグは、正と負のダスト値のパターンが大きく異なることを発見しました。
正に帯電した高電圧ワイヤによって生成される放電は、長い分岐経路を備えた星形でしたが、負極からの放電は短く、丸みを帯びた扇形で貝殻のような形でした。
リヒテンバーグは、埃っぽい表面に紙を注意深く置くことで、画像を紙に転写できることを発見しました。こうして、電子写真法とレーザー印刷という現代的なプロセスが最終的に形成され、彼はリヒテンベルグの粉末像から現代科学へと発展した物理学を確立しました。 プラズマ物理学について.
その後 200 年間、他の多くの物理学者、実験者、芸術家がリヒテンベルグの数値を研究しました。 19 世紀と 20 世紀の著名な研究者には物理学者が含まれていました ガストン・プランテ と ピーター・T・リース.
19世紀末、フランスの芸術家で科学者 エティエンヌ・レオポルド・トルヴォー 作成した 「トルヴェロ フィギュア」 — 現在はとして知られています リヒテンベルクの写真人物 — を使用して ラムコルフコイル 高電圧源として。
他の研究者には、トーマス・バートン・キンレイド教授、カール・エドワード・マグナッソン教授、マクシミリアン・トプラー教授、P.O.ペダーセンとアルトゥール・フォン・ヒッペル。
現代の研究者や芸術家のほとんどは、写真フィルムを使用して、地球から発せられる微弱な光を直接捉えています。 放電.
イギリスの裕福な実業家であり、高電圧の研究者であるロード ウィリアム・G・アームストロング 高電圧とリヒテンベルグ図に関する彼の研究の一部を紹介する 2 冊の優れたフルカラーの本を出版しました。
これらの本は現在ではかなり少なくなっていますが、アームストロングの最初の本『空気と水の電気運動と理論的演繹』のコピーは、世紀の変わり目に電気療法博物館のジェフ・ベハリーの親切な努力によって入手可能になりました。
1920 年代半ば、フォン ヒッペルは次のことを発見しました。 リヒテンベルグの数値は実際には、コロナ放電、またはストリーマと呼ばれる小さな電気スパークとその下の誘電体表面との間の複雑な相互作用の結果です。
放電により、対応する電荷の「パターン」が下の誘電体表面に印加され、そこで一時的に結合します。フォン・ヒッペルはまた、印加電圧を増加させるか周囲のガスの圧力を減少させると、個々の経路の長さと直径が増加することを発見しました。
Peter Ries は、正のリヒテンベルグ図形の直径が、同じ電圧で得られた負の図形の直径の約 2.8 倍であることを発見しました。
電圧と極性の関数としてのリヒテンベルグ図形のサイズの関係は、クリドノグラフなどの初期の高電圧測定および記録機器で、高電圧パルスのピーク電圧と極性の両方を測定するために使用されました。
「リヒテンベルグ カメラ」とも呼ばれるクリドノグラフは、異常な電気サージによって引き起こされるリヒテンベルグ像の大きさと形状を写真で捉えることができます。 送電線沿いにある により 稲妻.
1930 年代と 1940 年代の雷研究者や電力システム設計者は、クリドノグラフ測定により雷誘起電圧を正確に測定できるようになり、雷の電気的特性に関する重要な情報が得られました。
この情報により、電力技術者は実験室で同様の特性を持つ「人工雷」を作成し、避雷に対するさまざまなアプローチの有効性をテストできるようになりました。それ以来、避雷は現代のすべての送電および配電システムの設計に不可欠な部分になりました。
この図は、極性に応じて振幅が異なる正および負の高電圧過渡現象のクリドノグラムの例を示しています。ピーク電圧の大きさは同じであるにもかかわらず、正のリヒテンベルグ図の直径が負の図よりも大きいことに注目してください。
このデバイスの新しいバージョンであるテノグラフは、遅延線と複数のクリドノグラフのようなセンサーの組み合わせを使用して、過渡現象の一連のタイムラプス「スナップショット」をキャプチャし、エンジニアが高電圧で全体的な過渡波形をキャプチャできるようにします。
最終的には現代の電子機器に取って代わられましたが、イノグラフは 1960 年代まで、高圧送電線における雷やスイッチング過渡現象の挙動を研究するために使用され続けました。
現在では次のことが知られています リヒテンベルグ現象は、気体、絶縁液体、固体誘電体の電気的破壊中に発生します。 リヒテンベルグ図形は、誘電体に非常に高い電圧が印加されるとナノ秒で生成される場合もあれば、一連の小さな (低エネルギー) 故障により数年かけて生成される場合もあります。
表面または固体誘電体内での無数の部分放電は、多くの場合、ゆっくりと成長する部分的に導電性の 2D 表面リヒテンベルグ図形や内部 3D 電気ツリーを生成します。
2D 電気ツリーは、汚染された送電線の絶縁体の表面でよく見られます。 3D ツリーは、小さな不純物や空隙の存在により碍子内の人間の視覚から隠された領域、または碍子が物理的に損傷した場所にも形成されることがあります。
これらの部分的に導電性のツリーは最終的に絶縁体の完全な電気的故障を引き起こす可能性があるため、そのような「ツリー」の形成と成長を根元で防ぐことは、すべての高電圧機器の長期信頼性にとって非常に重要です。
透明なプラスチックで作られたリヒテンベルクの三次元フィギュアは、1940 年代後半に物理学者のアルノ ブラッシュとフリッツ ランゲによって初めて作成されました。新しく発見された電子加速器を使用して、彼らは何兆もの自由電子をプラスチックのサンプルに注入し、電気的破壊を引き起こし、内側のリヒテンベルグ図形の形に焦げを引き起こしました。
電子 — すべての凝縮物を構成する原子の正に帯電した核の周りを回転する、負に帯電した小さな粒子。ブラッシュとランゲは、パルス電子ビーム加速器を駆動するために設計されたマルクスの数百万ドルの発電機からの高電圧パルスを使用しました。
同社のコンデンサ デバイスは 300 万ボルトのパルスを生成でき、最大 100,000 アンペアという信じられないほどのピーク電流で自由電子の強力な放電を引き起こすことができます。
発信される高電流電子ビームによって生成される高度にイオン化された空気の輝く領域は、ロケット エンジンの青紫色の炎に似ていました。
透明なプラスチックブロックに入ったリヒテンベルグのフィギュアを含む、白黒画像の完全なセットが最近オンラインで入手できるようになりました。