ตัวเลขของ Lichtenberg: ประวัติศาสตร์ หลักการทางกายภาพของผลกระทบ

ตัวเลขของลิชเตนแบร์กเรียกว่ารูปแบบที่แตกแขนงเหมือนต้นไม้ที่ได้จากการปล่อยกระแสไฟฟ้าแรงสูงบนพื้นผิวหรือภายในกลุ่มวัสดุไดอิเล็กตริก

ร่างแรกของ Lichtenberg เป็นแบบสองมิติ เป็นร่างที่เกิดจากฝุ่น เป็นครั้งแรกที่พวกเขาถูกสังเกตในปี พ.ศ. 2320 โดยศาสตราจารย์นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน จอร์จ คริสตอฟ ลิชเทนเบิร์ก… ฝุ่นในอากาศที่จับตัวอยู่บนพื้นผิวของแผ่นเรซินที่มีประจุไฟฟ้าในห้องทดลองของเขาทำให้เกิดรูปแบบที่ผิดปกติเหล่านี้

ศาสตราจารย์ได้แสดงปรากฏการณ์นี้ให้กับนักศึกษาฟิสิกส์ของเขา เขายังพูดถึงการค้นพบนี้ในบันทึกความทรงจำของเขาด้วย Lichtenberg เขียนว่านี่เป็นวิธีการใหม่ในการศึกษาธรรมชาติและการเคลื่อนที่ของของไหลไฟฟ้า

สิ่งที่คล้ายกันสามารถอ่านได้ในบันทึกความทรงจำของ Lichtenberg “ลวดลายเหล่านี้ไม่ต่างจากลายสลักมากนัก บางครั้งมีดวงดาวมากมายนับไม่ถ้วน ทางช้างเผือก และดวงอาทิตย์ดวงใหญ่ปรากฏขึ้น สายรุ้งส่องแสงที่ด้านนูนของมัน

ผลลัพธ์ที่ได้คือกิ่งไม้ที่แวววาวคล้ายกับที่เห็นได้เมื่อความชื้นจับตัวเป็นน้ำแข็งบนหน้าต่าง เมฆที่มีรูปร่างต่างกันและเงาที่มีความลึกต่างกัน แต่ที่ประทับใจที่สุดสำหรับฉันคือตัวเลขเหล่านี้ไม่ง่ายที่จะลบ เพราะฉันพยายามลบด้วยวิธีปกติทั่วไป

ฉันไม่สามารถหยุดรูปร่างที่ฉันเพิ่งลบไปจากการเรืองแสงอีกครั้ง สว่างขึ้น ฉันวางแผ่นกระดาษสีดำที่เคลือบด้วยวัสดุหนืดลงบนตัวเลขแล้วกดเบาๆ ดังนั้นฉันจึงสามารถพิมพ์ตัวเลขได้หกชิ้นซึ่งนำเสนอต่อ Royal Society

การได้มาซึ่งรูปภาพรูปแบบใหม่นี้ทำให้ฉันมีความสุขมาก เพราะฉันต้องรีบทำสิ่งอื่น และไม่มีเวลาหรือความปรารถนาที่จะวาดหรือทำลายภาพวาดเหล่านี้ทั้งหมด «

ในการทดลองต่อมา ศาสตราจารย์ Lichtenberg ใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าสถิตไฟฟ้าแรงสูงหลายชนิดเพื่อชาร์จพื้นผิวของวัสดุไดอิเล็กตริกหลายชนิด เช่น เรซิน แก้ว อะโบไนต์...

จากนั้นเขาก็ปัดส่วนผสมของกำมะถันและตะกั่วเตทรอกไซด์บนพื้นผิวที่มีประจุไฟฟ้า กำมะถัน (ซึ่งกลายเป็นประจุลบจากการเสียดสีในภาชนะ) ถูกดึงดูดไปยังพื้นผิวที่มีประจุบวกมากขึ้น

ในทำนองเดียวกัน อนุภาคลีดเตทรอกไซด์ที่มีประจุบวกซึ่งมีประจุบวกจะถูกดึงดูดไปยังบริเวณที่มีประจุลบของพื้นผิว ผงสีทำให้บริเวณที่มองไม่เห็นก่อนหน้านี้ของประจุที่จับกับพื้นผิวมีรูปร่างที่มองเห็นได้ชัดเจนและแสดงขั้วของพวกมัน

ดังนั้นศาสตราจารย์จึงเห็นได้ชัดว่าส่วนที่มีประจุไฟฟ้าของพื้นผิวเกิดจากประกายไฟเล็กๆ ไฟฟ้าสถิต… ประกายไฟขณะที่มันวาบไปทั่วพื้นผิวของไดอิเล็กตริก ทำให้พื้นที่ที่แยกจากกันของพื้นผิวมีประจุไฟฟ้า

หลังจากปรากฏบนพื้นผิวของไดอิเล็กตริกแล้ว ประจุจะยังคงอยู่ที่นั่นเป็นเวลานาน เนื่องจากตัวอิเล็กตริกเองจะป้องกันการเคลื่อนที่และการกระจายตัวของพวกมัน นอกจากนี้ Lichtenberg ยังพบว่ารูปแบบของค่าฝุ่นละอองที่เป็นบวกและลบมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

การคายประจุที่เกิดจากลวดไฟฟ้าแรงสูงที่มีประจุบวกเป็นรูปดาวที่มีเส้นทางแตกแขนงยาว ในขณะที่การคายประจุจากขั้วลบจะสั้นกว่า กลมมน เป็นรูปพัด และคล้ายเปลือกหอย

ด้วยการวางแผ่นกระดาษบนพื้นผิวที่มีฝุ่นอย่างระมัดระวัง Lichtenberg ค้นพบว่าเขาสามารถถ่ายโอนภาพลงบนกระดาษได้ ดังนั้น กระบวนการสมัยใหม่ของซีโรกราฟีและการพิมพ์ด้วยเลเซอร์จึงก่อตัวขึ้นในที่สุด เขาก่อตั้ง ฟิสิกส์ที่พัฒนาจากตัวเลขผงของ Lichtenberg มาเป็นวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ เกี่ยวกับฟิสิกส์ของพลาสมา.

นักฟิสิกส์ นักทดลอง และศิลปินอื่นๆ อีกหลายคนศึกษาตัวเลขของ Lichtenberg ในอีกสองร้อยปีข้างหน้า นักวิจัยที่มีชื่อเสียงในศตวรรษที่ 19 และ 20 รวมถึงนักฟิสิกส์ แกสตัน แพลนท์ และ ปีเตอร์ ที. รีส.

ปลายศตวรรษที่ 19 ศิลปินและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส เอเตียน เลโอโปลด์ ทรูโวซ์ สร้าง «หุ่น Truvelo» - ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ ช่างภาพ Lichtenberg - โดยใช้ ขดลวด Rumkorf เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง

นักวิจัยคนอื่นๆ ได้แก่ Thomas Burton Kinreid และศาสตราจารย์ Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen และ Arthur von Hippel

นักวิจัยและศิลปินสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ฟิล์มถ่ายภาพเพื่อจับภาพแสงจางๆ ที่ปล่อยออกมาโดยตรง การปล่อยไฟฟ้า.

ลอร์ด นักอุตสาหกรรมชาวอังกฤษผู้มั่งคั่งและนักวิจัยไฟฟ้าแรงสูง วิลเลียม จี. อาร์มสตรอง ตีพิมพ์หนังสือสองสีที่ยอดเยี่ยมซึ่งนำเสนองานวิจัยบางส่วนของเขาเกี่ยวกับไฟฟ้าแรงสูงและตัวเลขของ Lichtenberg

แม้ว่าหนังสือเหล่านี้จะค่อนข้างเล็ก แต่หนังสือเล่มแรกของ Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions ได้ถูกจัดทำขึ้นโดยความพยายามของ Geoff Beharry ที่พิพิธภัณฑ์ Electrotherapy ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1920 ฟอน ฮิปเปลค้นพบว่า ตัวเลขของลิชเตนแบร์กเป็นผลจากปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างการปลดปล่อยโคโรนา หรือประกายไฟฟ้าเล็กๆ ที่เรียกว่าลำแสง และพื้นผิวไดอิเล็กตริกด้านล่าง

การปล่อยประจุไฟฟ้าใช้ "รูปแบบ" ของประจุไฟฟ้าที่สอดคล้องกันกับพื้นผิวไดอิเล็กตริกด้านล่าง ซึ่งเป็นที่ที่ประจุไฟฟ้าเกาะกันชั่วคราว Von Hippel ยังพบว่าการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ใช้หรือการลดความดันของก๊าซโดยรอบทำให้ความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของแต่ละเส้นทางเพิ่มขึ้น

Peter Ries พบว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวเลข Lichtenberg ที่เป็นบวกนั้นมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2.8 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวเลขเชิงลบที่แรงดันไฟฟ้าเท่ากัน

ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของตัวเลข Lichtenberg เป็นฟังก์ชันของแรงดันและขั้วถูกนำมาใช้ในเครื่องมือวัดและบันทึกแรงดันไฟฟ้าสูงในยุคแรกๆ เช่น clidonograph เพื่อวัดทั้งแรงดันสูงสุดและขั้วของพัลส์ไฟฟ้าแรงสูง

clidonograph ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "กล้อง Lichtenberg" สามารถถ่ายภาพขนาดและรูปร่างของ Lichtenberg ที่เกิดจากไฟฟ้ากระชากที่ผิดปกติได้ ตามสายไฟฟ้า เนื่องจาก สายฟ้าฟาด.

การวัดแบบไคลโดโนกราฟิกช่วยให้นักวิจัยด้านฟ้าผ่าและนักออกแบบระบบไฟฟ้าในช่วงทศวรรษที่ 1930 และ 1940 สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากฟ้าผ่าได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับลักษณะทางไฟฟ้าของฟ้าผ่า

ข้อมูลนี้ช่วยให้วิศวกรไฟฟ้าสร้าง "ฟ้าผ่าเทียม" ที่มีลักษณะคล้ายคลึงกันในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้พวกเขาสามารถทดสอบประสิทธิภาพของวิธีต่างๆ ในการป้องกันฟ้าผ่า ตั้งแต่นั้นมา การป้องกันฟ้าผ่าได้กลายเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบระบบส่งและจ่ายที่ทันสมัยทั้งหมด

รูปแสดงตัวอย่าง clidonograms ของประจุไฟฟ้าแรงสูงชั่วขณะขั้วบวกและขั้วลบที่มีแอมพลิจูดต่างกันขึ้นอยู่กับขั้วไฟฟ้า สังเกตว่าตัวเลข Lichtenberg ที่เป็นบวกจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าตัวเลขที่เป็นลบ ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดมีขนาดเท่ากัน

Theinograph เวอร์ชันที่ใหม่กว่าของอุปกรณ์นี้ใช้การรวมกันของเส้นหน่วงเวลาและเซ็นเซอร์ที่มีลักษณะคล้ายคลิโดโนกราฟหลายตัวเพื่อจับภาพชุดของ "สแนปช็อต" แบบไทม์แลปส์ของสัญญาณชั่วคราว ทำให้วิศวกรสามารถจับรูปแบบคลื่นชั่วคราวโดยรวมด้วยไฟฟ้าแรงสูง

แม้ว่าจะถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ในที่สุด แต่กราฟยังคงถูกนำมาใช้จนถึงทศวรรษที่ 1960 เพื่อศึกษาพฤติกรรมของฟ้าผ่าและการเปลี่ยนสถานะชั่วขณะบนสายส่งไฟฟ้าแรงสูง

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า ตัวเลขของลิชเตนเบิร์กเกิดขึ้นระหว่างการแตกตัวทางไฟฟ้าของก๊าซ ของเหลวที่เป็นฉนวน และไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง ตัวเลขของลิชเตนเบิร์กสามารถสร้างขึ้นได้ในหน่วยนาโนวินาทีเมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากให้กับไดอิเล็กตริก หรืออาจพัฒนาเป็นเวลาหลายปีเนื่องจากความล้มเหลวเพียงเล็กน้อย (พลังงานต่ำ)

การปล่อยประจุบางส่วนจำนวนนับไม่ถ้วนที่พื้นผิวหรือภายในไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งมักจะสร้างฟิกเกอร์ Lichtenberg 2 มิติที่พื้นผิว 2 มิติหรือต้นไม้ไฟฟ้า 3 มิติภายในที่เติบโตช้า

ต้นไม้ไฟฟ้า 2 มิติมักพบบนพื้นผิวของฉนวนสายไฟที่ปนเปื้อน ต้นไม้ 3 มิติยังสามารถก่อตัวขึ้นในพื้นที่ที่ซ่อนจากการมองเห็นของมนุษย์ในฉนวน เนื่องจากมีสิ่งสกปรกหรือช่องว่างขนาดเล็ก หรือในจุดที่ฉนวนได้รับความเสียหายทางกายภาพ

เนื่องจากต้นไม้ที่นำไฟฟ้าบางส่วนเหล่านี้อาจทำให้ฉนวนไฟฟ้าขัดข้องได้ในที่สุด การป้องกันการก่อตัวของ "ต้นไม้" ดังกล่าวที่รากจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาวของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงทั้งหมด

ตัวเลขสามมิติของ Lichtenberg ในพลาสติกใสถูกสร้างขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ Arno Brasch และ Fritz Lange ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 ด้วยการใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนที่ค้นพบใหม่ พวกเขาฉีดอิเล็กตรอนอิสระหลายล้านล้านตัวเข้าไปในตัวอย่างพลาสติก ทำให้เกิดการสลายตัวทางไฟฟ้าและเกิดถ่านเป็นรูปร่างของร่าง Lichtenberg ภายใน

อิเล็กตรอน — อนุภาคที่มีประจุลบขนาดเล็กที่หมุนรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกของอะตอมซึ่งประกอบกันเป็นสสารควบแน่นทั้งหมด Brush และ Lange ใช้พัลส์ไฟฟ้าแรงสูงจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามูลค่าหลายล้านดอลลาร์ของ Marx ที่ออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนเครื่องเร่งลำแสงอิเล็กตรอนแบบพัลซิ่ง

อุปกรณ์คาปาซิเตอร์ของพวกเขาสามารถสร้างพัลส์ได้สามล้านโวลต์และสามารถสร้างการปลดปล่อยอิเล็กตรอนอิสระที่ทรงพลังด้วยกระแสสูงสุดที่น่าทึ่งถึง 100,000 แอมแปร์

บริเวณที่เรืองแสงของอากาศที่แตกตัวเป็นไอออนสูงซึ่งสร้างโดยลำแสงอิเล็กตรอนกระแสสูงที่ส่งออกไปนั้นคล้ายกับเปลวไฟสีม่วงอมน้ำเงินของเครื่องยนต์จรวด

ภาพขาวดำครบชุด รวมทั้งภาพลิชเตนแบร์กในบล็อกพลาสติกใส เผยแพร่ทางออนไลน์เมื่อเร็วๆ นี้