Введение
Лихтенбергская фигура (немецкий Lichtenberg Figuren), или пылевая фигура Лихтенберга, — это разветвлённый электрический разряд, который иногда возникает на поверхности или внутри изоляционных материалов. Фигуры Лихтенберга часто связаны с прогрессирующим ухудшением высоковольтных компонентов и оборудования. Изучение плоских фигур Лихтенберга на изоляционных поверхностях и трёхмерных электрических деревьев внутри изоляционных материалов часто предоставляет инженерам ценную информацию для повышения долгосрочной надёжности высоковольтного оборудования. В настоящее время известно, что фигуры Лихтенберга возникают на твёрдых телах, жидкостях и газах или внутри них во время электрического пробоя. Фигуры Лихтенберга — это природные явления, демонстрирующие фрактальные свойства.
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.
История
Лихтенбергские фигуры названы в честь немецкого физика Георга Кристофа Лихтенберга, который первоначально открыл и изучил их. Когда они были впервые обнаружены, предполагалось, что их характерные формы могут помочь понять природу положительных и отрицательных электрических "жидкостей". В 1777 году Лихтенберг создал большой электрофор для генерации высоковольтного статического электричества посредством индукции. После разряда высоковольтной точки на поверхность изолятора он зафиксировал образовавшиеся радиальные узоры, посыпав поверхность различными порошками. Затем, прижимая чистые листы бумаги к этим узорам, Лихтенберг смог перенести и зафиксировать эти изображения, тем самым открыв базовый принцип современной ксерографии. Это открытие также стало предвестником современной науки о физике плазмы. Хотя Лихтенберг изучал только двумерные (2D) фигуры, современные исследователи, работающие с высокими напряжениями, изучают 2D и 3D фигуры (электрические деревья) на поверхности и внутри изоляционных материалов.
Формирование
Двумерные (2D) фигуры Лихтенберга могут быть получены путем размещения острого заостренного игольного электрода перпендикулярно поверхности непроводящей пластины, такой как смола, эбонит или стекло. Кончик электрода располагается в непосредственной близости от поверхности пластины или соприкасается с ней. К игольному электроду подается источник высокого напряжения, например, лейденская банка (тип конденсатора) или генератор статического электричества, обычно через искровой промежуток. Это создает внезапный, кратковременный электрический разряд вдоль поверхности пластины, в результате чего на поверхности откладываются области скопления заряда. Затем эти электрически заряженные участки визуализируются путем нанесения смеси порошка серы и красного свинца (Pb3O4 или тетроксида свинца) на пластину. При манипуляциях порошок серы, как правило, приобретает небольшой отрицательный заряд, а красный свинец – небольшой положительный заряд. Отрицательно заряженная сера притягивается к областям с положительным зарядом на пластине, в то время как положительно заряженный красный свинец притягивается к областям с отрицательным зарядом. Помимо получаемого цветового распределения, форма фигуры также заметно различается в зависимости от полярности приложенного к пластине электрического заряда. Если области заряда положительные, на пластине наблюдается обширное пятно, состоящее из плотного ядра, от которого во всех направлениях расходятся ветви. Отрицательно заряженные области значительно меньше и имеют четкую круглую или веерообразную границу, лишенную ветвей. Генрих Рудольф Герц использовал пылевые фигуры Лихтенберга в своей основополагающей работе, подтверждающей теории электромагнитных волн Максвелла. Если на пластину подается смесь положительных и отрицательных зарядов, например, от индукционной катушки, образуется смешанная фигура, состоящая из большого красного центрального ядра, соответствующего отрицательному заряду, окруженного желтыми лучами, соответствующими положительному заряду. Кажется, различие между положительными и отрицательными фигурами зависит от наличия воздуха, поскольку эта разница имеет тенденцию исчезать при проведении эксперимента в вакууме. Питер Т. Рисс (исследователь XIX века) предположил, что отрицательная электризация пластины вызвана трением водяного пара и других веществ, перемещаемых по поверхности взрывом, сопровождающим пробойный разряд в точке. Эта электризация способствует распространению положительного, но препятствует распространению отрицательного разряда. В настоящее время известно, что электрические заряды передаются на поверхность изолятора посредством небольших искровых разрядов, возникающих на границе между газом и поверхностью изолятора. После переноса на изолятор эти избыточные заряды временно остаются на поверхности. Форма полученных распределений заряда отражает форму искровых разрядов, которая, в свою очередь, зависит от полярности высокого напряжения и давления газа. Использование более высокого напряжения приводит к образованию фигур большего диаметра и с большей разветвленностью. Сейчас известно, что положительные фигуры Лихтенберга имеют более длинные и разветвленные структуры, поскольку длинные искры в воздухе могут легче формироваться и распространяться от положительно заряженных высоковольтных выводов. Это свойство используется для измерения полярности и амплитуды переходных процессов при импульсах молнии в линиях электропередач. Другой тип 2D фигуры Лихтенберга может быть создан, когда изоляционная поверхность загрязнена полупроводниковым материалом. При приложении высокого напряжения к поверхности, токи утечки могут вызывать локальный нагрев и постепенную деградацию и обугливание основного материала. Со временем на поверхности изолятора формируются ветвистые углеродистые узоры, напоминающие деревья, которые называются электрическими деревьями. Этот процесс деградации называется трекингом. Если проводящие пути в конечном итоге замыкают изоляционное пространство, это приводит к катастрофическому разрушению изоляционного материала. Некоторые художники намеренно наносят соленую воду на поверхность дерева или картона, а затем прикладывают высокое напряжение к поверхности, чтобы создать сложные углеродистые 2D фигуры Лихтенберга.
Фрактальные сходства
Разветвленные, самоподобные структуры, наблюдаемые в фигурах Лихтенберга, демонстрируют фрактальные свойства. Фигуры Лихтенберга часто возникают при диэлектрическом пробое твердых тел, жидкостей и даже газов. Их формирование и рост, по-видимому, связаны с процессом, называемым диффузионно-ограниченной агрегацией (DLA). Полезная макроскопическая модель, объединяющая электрическое поле и DLA, была разработана Нимейером, Пиетронеро и Вейсманом в 1984 году и известна как модель диэлектрического пробоя (DBM). Несмотря на то, что механизмы электрического пробоя воздуха и пластика ПММА существенно различаются, разветвленные разряды оказываются взаимосвязаны. Разветвленные формы, принимаемые естественной молнией, также обладают фрактальными характеристиками.
Строительное право
Лихтенбергские фигуры — примеры природных явлений, демонстрирующих фрактальные свойства. Появление и эволюция этих и других древовидных структур, широко распространенных в природе, описываются конструктивным законом. Впервые опубликованный профессором Дьюкского университета Адрианом Бежаном в 1996 году, конструктивный закон является фундаментальным принципом физики, обобщающим тенденцию природы создавать конфигурации (узоры, структуры), облегчающие свободное протекание наложенных потоков, проходящих через них. Конструктивный закон предсказывает, что древовидные структуры, описанные в этой статье, должны возникать и развиваться для облегчения движения (от точки к площади) электрических токов, протекающих через них.
Природные явления
Лихтенбергские фигуры – это узоры, напоминающие папоротники, которые могут появляться на коже людей, пострадавших от удара молнии, и обычно исчезают в течение 24 часов. Они также известны как кераунографические отметины. Удар молнии также может создавать крупную фигуру Лихтенберга в траве вокруг точки удара. Их иногда можно встретить на полях для гольфа или в травянистых лугах. Разветвленные, похожие на корни, минеральные отложения "фулгурит" также могут образовываться, когда песок и почва расплавляются и превращаются в стеклянные трубки под воздействием высокой температуры тока. Электрическое древовидное распространение часто происходит в высоковольтном оборудовании перед полным пробоем. Отслеживание этих фигур Лихтенберга внутри изоляции при послеаварийном расследовании отказа изоляции может помочь в определении причины пробоя. Опытный инженер-электрик высокого напряжения может по направлению и форме этих "деревьев" и их ветвей определить местоположение основной причины пробоя и, возможно, найти первоначальную причину. Вышедшие из строя трансформаторы, высоковольтные кабели, вводы и другое оборудование можно эффективно исследовать таким образом. Изоляцию разматывают (в случае бумажной изоляции) или нарезают на тонкие срезы (в случае твердых изоляционных материалов). Затем результаты зарисовываются или фотографируются для создания записи процесса пробоя.
В изоляционных материалах
Современные фигуры Лихтенберга также могут быть созданы в твердых изоляционных материалах, таких как акрил (полиметилметакрилат или ПММА) или стекло, путем облучения их пучком электронов высокой энергии из линейного электронного ускорителя (или Linac, тип ускорителя частиц). Внутри Linac электроны фокусируются и ускоряются для формирования пучка высокоскоростных частиц. Электроны, выходящие из ускорителя, имеют энергию до 25 МэВ и движутся со значительной долей (95–99+ процентов) скорости света (релятивистские скорости). Если электронный луч направлен на толстый образец акрила, электроны легко проникают в его поверхность, быстро замедляясь при столкновении с молекулами внутри пластика и, в конечном итоге, останавливаясь глубоко внутри образца. Поскольку акрил является отличным электрическим изолятором, эти электроны временно захватываются внутри образца, формируя плоскость избыточного отрицательного заряда. При продолжении облучения количество захваченного заряда увеличивается, пока эффективное напряжение внутри образца не достигнет миллионов вольт. Как только электрическое напряжение превысит диэлектрическую прочность пластика, некоторые его участки внезапно становятся проводящими в процессе, называемом диэлектрическим пробоем. Во время пробоя быстро формируются и распространяются по пластику ветвящиеся древовидные или папоротникообразные проводящие каналы, позволяя захваченному заряду внезапно высвободиться в виде миниатюрной молнии с искрой и треском. Пробой заряженного образца также может быть инициирован вручную, прикосновением к пластику заостренным проводящим предметом, создающим точку чрезмерного напряжения. Во время разряда мощные электрические искры оставляют тысячи разветвленных цепочек трещин, формируя постоянную фигуру Лихтенберга внутри образца. Хотя внутренний заряд в образце отрицательный, разряд начинается с положительно заряженных внешних поверхностей образца, в результате чего формируется положительная фигура Лихтенберга. Эти объекты иногда называют электронными деревьями, лучевыми деревьями или молниевыми деревьями. По мере быстрого замедления электронов внутри акрила они также генерируют мощное рентгеновское излучение. Остаточные электроны и рентгеновские лучи затемняют акрил, создавая дефекты (центры окраски) в процессе, называемом соляризацией. Соляризация первоначально окрашивает акриловые образцы в цвет лайма, который затем меняется на янтарный после разряда образца. Обычно цвет со временем выцветает, а мягкий нагрев в сочетании с кислородом ускоряет этот процесс.
На дереве
Лихтенбергские фигуры также можно создавать на дереве. Типы древесины и текстура волокон влияют на форму получающейся фигуры Лихтенберга. Нанесение на поверхность дерева слоя электролитического раствора значительно снижает её сопротивление. Затем на дерево помещают два электрода и пропускают через них высокое напряжение. Ток от электродов нагревает поверхность дерева, пока электролит не закипит и древесина не начнёт обугливаться. Поскольку обугленная поверхность древесины обладает некоторой проводимостью, древесина выгорает в узоре, расходящемся от электродов. Этот процесс может быть опасным и ежегодно приводит к смертельным случаям от поражения электрическим током.