Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тармақталған пішіндер
Branching shapes
Лихтенберг фигурасы (немісше Lichtenberg Figuren) немесе Лихтенберг шаң фигурасы – кейде оқшаулағыш материалдардың бетінде немесе ішінде пайда болатын тармақталған электр разряды. Лихтенберг фигуралары көбінесе жоғары кернеулі компоненттер мен жабдықтардың нашарлауымен байланысты. Оқшаулағыш беттердегі жазық Лихтенберг фигураларын және оқшаулағыш материалдардың ішіндегі 3D электр ағаштарын зерттеу инженерлерге жоғары кернеулі жабдықтардың ұзақ мерзімді сенімділігін арттыру үшін құнды мәліметтер береді. Лихтенберг фигуралары электрлік бұзылу кезінде қатты денелерде, сұйықтықтарда және газдарда пайда болатыны белгілі. Лихтенберг фигуралары – фракталдық қасиеттерді көрсететін табиғи құбылыстар.
A Lichtenberg figure (German Lichtenberg Figuren), or Lichtenberg dust figure, is a branching electric discharge that sometimes appears on the surface or in the interior of insulating materials. Lichtenberg figures are often associated with the progressive deterioration of high voltage components and equipment. The study of planar Lichtenberg figures along insulating surfaces and 3D electrical trees within insulating materials often provides engineers with valuable insights for improving the long term reliability of high voltage equipment. Lichtenberg figures are now known to occur on or within solids, liquids, and gases during electrical breakdown. Lichtenberg figures are natural phenomena which exhibit fractal properties.
Тарих
Лихтенберг фигуралары оларды алғаш рет ашып, зерттеген неміс физигі Георг Кристоф Лихтенбергтің есімімен аталады. Олардың ерекше пішіндері оң және теріс электр "сұйықтықтарының" табиғатын ашуға көмектеседі деп есептелген. 1777 жылы Лихтенберг индукция арқылы жоғары кернеулі статикалық электр энергиясын тудыру үшін үлкен электрофор құрастырды. Ол жоғары кернеулі нүктені оқшаулағыштың бетіне жібергеннен кейін, пайда болған радиалды үлгілерді әртүрлі ұнтақ заттарды себу арқылы тіркеді. Содан кейін Лихтенберг осы үлгілерді бос қағаз парақтарына басып, оларды көшіріп алып, жазды, осылайша қазіргі заманғы ксерографияның негізгі принципін ашты. Бұл жаңалық заманауи плазма физикасының дамуына негіз болды. Лихтенберг тек екі өлшемді (2D) фигураларды зерттегенімен, қазіргі заманғы жоғары кернеу зерттеушілері оқшаулағыш материалдардың бетінде және ішінде 2D және 3D фигураларды (электр ағаштарын) зерттейді.
Lichtenberg figures are named after the German physicist Georg Christoph Lichtenberg, who originally discovered and studied them. When they were first discovered, it was thought that their characteristic shapes might help to reveal the nature of positive and negative electric "fluids". In 1777, Lichtenberg built a large electrophorus to generate high voltage static electricity through induction. After discharging a high voltage point to the surface of an insulator, he recorded the resulting radial patterns by sprinkling various powdered materials onto the surface. By then pressing blank sheets of paper onto these patterns, Lichtenberg was able to transfer and record these images, thereby discovering the basic principle of modern xerography. This discovery was also the forerunner of the modern day science of plasma physics. Although Lichtenberg only studied two dimensional (2D) figures, modern high voltage researchers study 2D and 3D figures (electrical trees) on, and within, insulating materials.
Құрылу
Екі өлшемді (2D) Лихтенберг фигураларын өткізгіш емес пластинаның, мысалы, смола, эбонит немесе шынының бетіне өткір тік иінді перпендикуляр орналастыра отырып жасауға болады. Нүкте пластинаға өте жақын немесе онымен жанасып орналасады. Инеге, әдетте, оттық саңылау арқылы Лейден ыдысы (конденсатордың бір түрі) немесе статикалық электр генераторы сияқты жоғары кернеу көзі қолданылады. Бұл пластинаның бетінде кенеттен кішкентай электр разрядын тудырады. Бұл пластинаның бетінде зарядтың жабысқан аймақтарын орналастырады. Осы электрленген аймақтардан күкірт пен қызыл қорғасын (Pb3O4 немесе қорғасын тетроксиді) ұнтақталған гүлдерінің қоспасын тақтаға бүркіп сыналады. Қолдану кезінде ұнтақталған күкірт аздап теріс зарядқа ие болады, ал қызыл қорғасын аздап оң зарядқа ие болады. Теріс электрленген күкірт пластинаның оң электрленген жерлеріне тартылады, ал оң электрленген қызыл қорғасын теріс электрленген жерлерге тартылады. Осылайша шығарылған түстердің таралуына қоса, тақтаға тигізілген электр зарядының полярлығына сәйкес, фигураның түрінде де айтарлықтай айырмашылық бар. Егер зарядтық аймақтар оң болса, онда тақтада кеңінен таралған жапсырма көрінеді, ол тығыз ядродан тұрады, одан бұтақтар барлық бағытта сәуле шашады. Теріс зарядталған аймақтар айтарлықтай кішірек және бұтақтары жоқ өткір дөңгелек немесе желдеткіш тәрізді шекараға ие. Генрих Рудольф Герц өзінің алғашқы еңбегінде Максвеллдің электромагниттік толқын теориясын дәлелдеу үшін Лихтенбергтің шаң фигураларын қолданды. Егер пластинкаға, мысалы, индукциялық катушкадан оң және теріс зарядтар қоспасы түссе, онда оң зарядқа сәйкес келетін сары сәулелермен қоршалған үлкен қызыл орталық ядродан тұратын аралас фигура пайда болады. Оң және теріс сандар арасындағы айырма ауаның болуына байланысты болып көрінеді; өйткені тәжірибе вакуумда жүргізілген кезде айырмашылық жоғалады. Питер Т. Рисс (19 ғасырдың зерттеушісі) плитаның теріс электрленуі су буының сүргісімен және т.б. туындаған, бұл нүктедегі бұзылуды шығаратын жарылыстың үстімен жүреді. Бұл электрлендіру оң зарядтың таралуына ықпал етеді, бірақ теріс зарядтың таралуына кедергі келтіреді. Қазіргі кезде газ бен изолятордың бетіндегі шекарада пайда болатын шағын шыбықтардың түсуі арқылы электр зарядтары изолятордың бетінде берілетіндігі белгілі. Оқшаулағышқа ауысқаннан кейін бұл артық зарядтар уақытша тоқтап қалады. Нәтижесінде пайда болған зарядтық үлестірімдердің пішіні шұғыл разрядтардың пішініне сәйкес келеді, олар өз кезегінде газдың жоғары кернеулік полярлығына және қысымына байланысты. Жоғары кернеуді қолдану үлкен диаметрді және көбірек тармақталған фигураларды тудырады. Қазір Лихтенбергтің оң сандарының ұзын, тармақталған құрылымдары бар екені белгілі, өйткені ауадағы ұзын ұшқырлар оң зарядталған жоғары кернеу терминалдарынан оңай пайда болады және таралады. Бұл қасиет электр желілеріндегі өткінші кернеулік полярлығын және найзағайдың шашылысу көлемін өлшеу үшін пайдаланылды. 2D Лихтенберг фигурасының тағы бір түрі оқшаулағыш бет жартылай өткізгіш материалмен ластанған кезде жасалуы мүмкін. Жоғары кернеу бетінде қолданылған кезде, ағып кету токтары жергілікті қыздыруға және астындағы материалдың біртіндеп ыдырауына және көмірленуіне әкелуі мүмкін. Уақыт өте келе, электр ағаштары деп аталатын оқшаулағыш бетіне бұтақталған, ағаш тәрізді көмірлі өрнектер пайда болады. Бұл ыдырау процесі "трекерлеу" деп аталады. Егер өткізгіш жолдары оқшаулау кеңістігін толықтыратын болса, оқшаулау материалдарының апатты сәтсіздікке ұшырауы мүмкін. Кейбір суретшілер ағаш немесе картонның бетіне әдейі тұзды суды қолданады, содан кейін бетке жоғары кернеуді қолданады, бұл жерде күрделі карбонизацияланған 2D Лихтенберг фигураларын жасайды.
Two dimensional (2D) Lichtenberg figures can be produced by placing a sharp pointed needle perpendicular to the surface of a non conducting plate, such as of resin, ebonite, or glass. The point is positioned very near or contacting the plate. A source of high voltage such as a Leyden jar (a type of capacitor) or a static electricity generator is applied to the needle, typically through a spark gap. This creates a sudden, small electrical discharge along the surface of the plate. This deposits stranded areas of charge onto the surface of the plate. These electrified areas are then tested by sprinkling a mixture of powdered flowers of sulfur and red lead (Pb3O4 or lead tetroxide) onto the plate. During handling, powdered sulfur tends to acquire a slight negative charge, while red lead tends to acquire a slight positive charge. The negatively electrified sulfur is attracted to the positively electrified areas of the plate, while the positively electrified red lead is attracted to the negatively electrified areas. In addition to the distribution of colors thereby produced, there is also a marked difference in the form of the figure, according to the polarity of the electrical charge that was applied to the plate. If the charge areas were positive, a widely extending patch is seen on the plate, consisting of a dense nucleus, from which branches radiate in all directions. Negatively charged areas are considerably smaller and have a sharp circular or fan like boundary entirely devoid of branches. Heinrich Rudolf Hertz employed Lichtenberg dust figures in his seminal work proving Maxwell's electromagnetic wave theories. If the plate receives a mixture of positive and negative charges as, for example, from an induction coil, a mixed figure results, consisting of a large red central nucleus, corresponding to the negative charge, surrounded by yellow rays, corresponding to the positive charge. The difference between positive and negative figures seems to depend on the presence of air; for the difference tends to disappear when the experiment is conducted in vacuum. Peter T. Riess (a 19th century researcher) theorized that the negative electrification of the plate was caused by the friction of the water vapour, etc., driven along the surface by the explosion which accompanies the disruptive discharge at the point. This electrification would favor the spread of a positive, but hinder that of a negative discharge. It is now known that electrical charges are transferred to the insulator's surface through small spark discharges that occur along the boundary between the gas and insulator surface. Once transferred to the insulator, these excess charges become temporarily stranded. The shapes of the resulting charge distributions reflect the shape of the spark discharges which, in turn, depend on the high voltage polarity and pressure of the gas. Using a higher applied voltage will generate larger diameter and more branched figures. It is now known that positive Lichtenberg figures have longer, branching structures because long sparks within air can more easily form and propagate from positively charged high voltage terminals. This property has been used to measure the transient voltage polarity and magnitude of lightning surges on electrical power lines. Another type of 2D Lichtenberg figure can be created when an insulating surface becomes contaminated with semiconducting material. When a high voltage is applied across the surface, leakage currents may cause localized heating and progressive degradation and charring of the underlying material. Over time, branching, tree like carbonized patterns are formed upon the surface of the insulator called electrical trees. This degradation process is called tracking. If the conductive paths ultimately bridge the insulating space, the result is catastrophic failure of the insulating material. Some artists purposely apply salt water to the surface of wood or cardboard and then apply a high voltage across the surface to generate complex carbonized 2D Lichtenberg figures on the surface.
Фрактальдық ұқсастықтар
Лихтенберг суреттерінде байқалатын тармақталған, өзіне ұқсас үлгілер фракталдық қасиеттерді көрсетеді. Лихтенберг фигуралары қатты денелердің, сұйықтықтардың, тіпті газдардың диэлектрлік бұзылуы кезінде жиі пайда болады. Олардың пайда болуы және өсуі диффузиялық шектеулі агрегация (ДЛА) деп аталатын процеске байланысты. 1984 жылы Нимейер, Пиетронеро және Вайсман электр өрісін ДЛА-мен біріктіретін пайдалы макроскопиялық модельді әзірледі, ол диэлектрлік бұзылу моделі (DBM) деп аталады. Ауа мен ПММА пластикасының электрлік бұзылу механизмдері айтарлықтай ерекше болса да, тармақталу разрядтарының арасында байланыс бар. Табиғи шағынның тармақталған пішіндері де фракталдық сипаттамаларға ие.
The branching, self similar patterns observed in Lichtenberg figures exhibit fractal properties. Lichtenberg figures often develop during the dielectric breakdown of solids, liquids, and even gases. Their appearance and growth appear to be related to a process called diffusion limited aggregation (DLA). A useful macroscopic model that combines an electric field with DLA was developed by Niemeyer, Pietronero, and Weismann in 1984, and is known as the dielectric breakdown model (DBM). Although the electrical breakdown mechanisms of air and PMMA plastic are considerably different, the branching discharges turn out to be related. The branching forms taken by natural lightning also have fractal characteristics.
Құрылыс құқығы
Лихтенберг фигуралары – фракталдық қасиеттерді көрсететін табиғи құбылыстардың мысалдары. Табиғатта кең таралған осы және басқа да ағаш тәрізді құрылымдардың пайда болуы мен эволюциясы конструктальдық заңмен түйінделеді. Алғаш рет 1996 жылы Дьюк университетінің профессоры Адриан Бежан жариялаған конструктальдық заң – физиканың негізгі қағидасы, ол табиғаттағы ағындардың еркін қозғалысын жеңілдететін конфигурацияларды (үлгілерді, дизайндарды) жасауға бейімділікті қорытады. Конструктальдық заң осы мақалада сипатталған ағаш тәрізді құрылымдардың пайда болуын және дамуын, арқылы өтетін электр тогының қозғалысын (нүктеден ауданға) жеңілдету үшін болжайды.
Lichtenberg figures are examples of natural phenomena which exhibit fractal properties. The emergence and evolution of these and the other tree like structures that abound in nature are summarized by the constructal law. First published by Duke professor Adrian Bejan in 1996, the constructal law is a first principle of physics which summarizes the tendency in nature to generate configurations (patterns, designs) that facilitate the free movement of the imposed currents that flow through it. The constructal law predicts that the tree like designs described in this article should emerge and evolve to facilitate the movement (point to area) of the electrical currents flowing through them.
Табиғи құбылыстар
Лихтенберг фигуралары – найзағай соққан адамдардың терісінде пайда болатын, құлпытаған сияқты өрнектер. Олар әдетте 24 сағат ішінде жоғалады. Бұлар кераунграфиялық белгілер деп те аталады. Найзағайдың соққысынан соққан жерді қоршаған шөпте ірі Лихтенберг фигуралары да пайда болуы мүмкін. Мұндайларды гольф алаңдарында немесе шөпті далаларда кездестіруге болады. Құм мен топырақ ағымның қатты қыздыруынан шыны түтікшелерге айналып, тамыр тәрізді "фулгурит" минералды кен орындары да қалыптасуы мүмкін. Жоғары кернеулі жабдықтарда толық істен шығуға дейін электрлік ағаштардың пайда болуы жиі кездеседі. Апаттан кейін оқшаулаудың бұзылуын тексеру кезінде оқшаулаудағы Лихтенберг фигураларын анықтау, бұзылу себебін табуға көмектеседі. Тәжірибелі жоғары кернеу инженері ағаштар мен олардың тармақтарының бағыты мен пішінінен бұзылудың басты себебі қайда болғанын және бастапқы себебін анықтай алады. Бұзылған трансформаторлар, жоғары кернеулі кабельдер, изоляторлар және басқа да жабдықтарды осы әдіспен зерттеу пайдалы. Оқшаулау қағаз болса оралып, қатты материал болса жұқа тілімдерге бөлінеді. Содан кейін нәтижелер суреттеледі немесе фотоға түсіріліп, бұзылу процесінің тіркелмесі жасалады.
Lichtenberg figures are fern like patterns that may appear on the skin of lightning strike victims and typically disappear in 24 hours. They are also known as Keraunographic markings. A lightning strike can also create a large Lichtenberg figure in grass surrounding the point struck. These are sometimes found on golf courses or in grassy meadows. Branching root shaped "fulgurite" mineral deposits may also be created as sand and soil is fused into glassy tubes by the intense heat of the current. Electrical treeing often occurs in high voltage equipment prior to causing complete breakdown. Following these Lichtenberg figures within the insulation during post accident investigation of an insulation failure can be useful in finding the cause of breakdown. An experienced high voltage engineer can see from the direction and the shape of trees and their branches where the primary cause of the breakdown was situated and possibly find the initial cause. Broken down transformers, high voltage cables, bushings, and other equipment can usefully be investigated in this manner. The insulation is unrolled (in the case of paper insulation) or sliced in thin slices (in the case of solid insulating materials). The results are then sketched or photographed to create a record of the breakdown process.
Оқшаулағыш материалдарда
Қазіргі Лихтенберг фигураларын акрил (полиметилметакрилат немесе ПММА) немесе шыны сияқты қатты оқшаулағыш материалдардың ішінде сызықтық электронды сәулелендіргіштен (немесе бөлшектік жеделдеткіштің бір түрінен) жоғары энергиялы электронды сәулемен құю арқылы жасауға болады. Жеделдеткіште электрондар шоғырланып, жоғары жылдамдықты бөлшектердің сәулесін құрайды. Жеделдеткіштен шығатын электрондардың энергиясы 25 МэВ-қа дейін жетеді және жарық жылдамдығының (95–99+ пайызы) айтарлық бөлігімен (релятивистік жылдамдықтар) қозғалады. Егер электронды сәуле қалың акрил нұсқасына бағытталса, электрондар акрилдің бетіне оңай еніп, пластик ішіндегі молекулалармен соқтығысқанда жылдамдығын тез жоғалтады, соңында нұсқаның тереңіне тоқталады. Акрил өте жақсы электр оқшаулағыш болғандықтан, бұл электрондар уақытша нұсқада тұрақтап, артық теріс зарядтың жазықтығын құрайды. Ұдайы сәулелену кезінде тұтқындалған зарядтың мөлшері артады, осылайша нұсқадағы тиімді кернеу миллиондаған вольтқа жетеді. Электрлік кернеу пластиктің диэлектрлік түзілу қабілетінен асып кеткенде, кейбір бөліктері диэлектрлік бұзылу деп аталатын процесте кенеттен өткізгіш болады. Бұзылу кезінде ағаш немесе папоротник сияқты тармақталған өткізгіш арналар пластик арқылы жылдам қалыптасып, таралады, бұл тұтқындалған зарядтың кенеттен кішкентай шағын найзағай сияқты жарқырап, жарылуына мүмкіндік береді. Зарядталған нұсқаның бұзылуын пластикке өткізгіш нысанмен тигізіп, шамадан тыс кернеу шоғырланған жерін жасау арқылы қолмен да бастауға болады. Разряд кезінде қуатты электр ұшқындары мыңдаған тармақталған жарықтарды қалдырып, нұсқаның ішінде тұрақты Лихтенберг фигурасын жасайды. Нұсқадағы ішкі заряд теріс болғанымен, разряд нұсқаның оң зарядталған сыртқы беттерінен басталады, сондықтан нәтижесінде оң Лихтенберг фигурасы пайда болады. Бұл нысандар кейде электрондық ағаштар, сәулелі ағаштар немесе найзағай ағаштары деп аталады. Электрондар акрилдің ішінде жылдамдығын жоғалтқанда, олар сонымен қатар қуатты рентген сәулелерін де тудырады. Қалдық электрондар мен рентген сәулелері акрилді соляризация процесінде ақаулар (түс орталықтары) енгізе отырып, күңгірттейді. Соляризация бастапқыда акрил нұсқаларын лайм жасыл түске айналдырады, содан кейін нұсқа разрядталғаннан кейін қызғылт түске өтеді. Түсі уақыт өте келе солғып, аздап қыздыру және оттегі қосу солғу процесін жеделдетеді.
Modern Lichtenberg figures can also be created within solid insulating materials, such as acrylic (polymethyl methacrylate or PMMA) or glass by injecting them with a beam of high energy electrons from a linear electron beam accelerator (or Linac, a type of particle accelerator). Inside the Linac, electrons are focused and accelerated to form a beam of high speed particles. Electrons emerging from the accelerator have energies up to 25 MeV and are moving at an appreciable fraction (95 99+ percent) of the speed of light (relativistic velocities). If the electron beam is aimed towards a thick acrylic specimen, the electrons easily penetrate the surface of the acrylic, rapidly decelerating as they collide with molecules inside the plastic, finally coming to rest deep inside the specimen. Since acrylic is an excellent electrical insulator, these electrons become temporarily trapped within the specimen, forming a plane of excess negative charge. Under continued irradiation, the amount of trapped charge builds, until the effective voltage inside the specimen reaches millions of volts. Once the electrical stress exceeds the dielectric strength of the plastic, some portions suddenly become conductive in a process called dielectric breakdown. During breakdown, branching tree or fern like conductive channels rapidly form and propagate through the plastic, allowing the trapped charge to suddenly rush out in a miniature lightning like flash and bang. Breakdown of a charged specimen may also be manually triggered by poking the plastic with a pointed conductive object to create a point of excessive voltage stress. During the discharge, the powerful electric sparks leave thousands of branching chains of fractures behind creating a permanent Lichtenberg figure inside the specimen. Although the internal charge within the specimen is negative, the discharge is initiated from the positively charged exterior surfaces of the specimen, so that the resulting discharge creates a positive Lichtenberg figure. These objects are sometimes called electron trees, beam trees, or lightning trees. As the electrons rapidly decelerate inside the acrylic, they also generate powerful X rays. Residual electrons and X rays darken the acrylic by introducing defects (color centers) in a process called solarization. Solarization initially turns acrylic specimens a lime green color which then changes to an amber color after the specimen has been discharged. The color usually fades over time, and gentle heating, combined with oxygen, accelerates the fading process.
Ағашқа
Лихтенберг фигураларын ағаштан да жасауға болады. Ағаш түрлері мен өрнектері жасалған Лихтенберг фигурасының пішініне әсер етеді. Ағаш бетіне электролиттік ерітінді жағу арқылы беткейдің кедергісі күрт төмендейді. Содан кейін ағашқа екі электрод орналастырылады және олар арқылы жоғары кернеу жіберіледі. Электродтардан өтетін ток ағаш бетін қыздырады, нәтижесінде электролит қайнап, ағаш беті күйеді. Көмірленген ағаш беті азды-мазды өткізгіш болғандықтан, ағаш беті электродтардан сыртқа қарай өрнек түзеп жанып кетеді. Бұл процесс қауіпті болуы мүмкін, және одан жыл сайын электр тогынан адамдар қаза табады.
Lichtenberg figures can also be produced on wood. The types of wood and grain patterns affect the shape of the Lichtenberg figure produced. By applying a coat of electrolytic solution to the surface of the wood, the resistance of the surface drops considerably. Two electrodes are then placed on the wood and a high voltage is passed across them. Current from the electrodes will cause the surface of the wood to heat up, until the electrolyte boils and the wooden surface burns. Because the charred surface of the wood is mildly conductive, the surface of the wood will burn in a pattern outwards from the electrodes. The process can be dangerous, resulting in deaths every year from electrocution.