ФИГУРЫ ЛИХТЕНБЕРГА
Фигуры Лихтенберга (иногда называются «лихтенберговы фигуры») — картины распределения искровых каналов, образующиеся на поверхности твёрдого диэлектрика при скользящем искровом разряде. Впервые наблюдались немецким учёным Г. К. Лихтенбергом в 1777 году.
В искровых каналах сильного разряда возникают высокие давления и температуры, которые деформируют поверхность диэлектрика, запечатлевая на ней фигуры Лихтенберга. В слабых разрядах фигуры Лихтенберга соответствуют избирательной поляризации диэлектрика, и их можно сделать видимыми, посыпая поверхность диэлектрика специальным порошком либо проявляя фотопластинку, подложенную во время разряда под слой диэлектрика.
Фигуры Лихтенберга вблизи анода и катода резко различаются по внешнему виду, поэтому по ним можно установить, от какого из этих электродов развивались искровые каналы (т. н. полярность искрового разряда). В частности, фигуры Лихтенберга могут использоваться для определения полярности и силы разряда молнии.
Фигура Лихтенберга использована в оформлении обложки альбома Still Life британской прогрессив-рок-группы Van der Graaf Generator.
Фигуры Лихтенберга названы в честь немецкого физика Георга Кристофа Лихтенберга, который первоначально открыл и изучил их. Когда они были впервые обнаружены, считалось, что их характерные формы могут помочь раскрыть природу положительных и отрицательных электрических “флюидов”.
В 1777 году Лихтенберг построил большой электрофорус для выработки статического электричества напряжения посредством индукции,,. После разряда точки высокого напряжения на поверхности изолятора он записал полученные радиальные узоры, посыпав поверхность различными порошкообразными материалами. Затем, прижимая чистые листы бумаги к этим узорам, Лихтенберг смог перенести и записать эти изображения, тем самым открыв основной принцип современной ксерографии.
Это открытие также стало предшественником современной науки физики плазмы. Хотя Лихтенберг изучал только двумерные (2D) фигуры, современные исследователи высокого напряжения изучают 2D и 3D фигуры (электрические деревья) на изоляционных материалах и внутри них.
Ветвящиеся, самоподобные узоры, наблюдаемые на фигурах Лихтенберга, проявляют фрактальные свойства. Фигуры Лихтенберга часто образуются при пробое диэлектрика твердых тел, жидкостей и даже газов. Их появление и рост, по-видимому, связаны с процессом, называемым агрегацией с ограниченной диффузией (DLA). Полезная макроскопическая модель, сочетающая электрическое поле с DLA, была разработана Нимейером, Пьетронеро и Вайсманном в 1984 году и известна как модель пробоя диэлектрика (DBM).
Хотя механизмы электрического пробоя воздуха и пластика PMMA значительно различаются, ветвящиеся разряды оказываются взаимосвязанными. Ветвящиеся формы, принимаемые естественной молнией, также обладают фрактальными характеристиками.
Фигурами Лихтенберга называют ветвящиеся, похожие на изображения деревьев, узоры, получаемые при прохождении высоковольтных электрических разрядов по поверхности или внутри объема диэлектрических материалов.
Первые фигуры Лихтенберга были двумерными, это были фигуры образованные пылью. Их то впервые и наблюдал в 1777 году немецкий физик – профессор Георг Кристоф Лихтенберг. Переносимая по воздуху пыль, которая оседала на поверхности электрически заряженных пластин смолы в его лаборатории, создавала эти необычные узоры.
Профессор продемонстрировал данное явление своим студентам-физикам, он также рассказал об этом открытии в своих мемуарах. Лихтенберг писал о нем как о новом методе изучения природы и движения электрической жидкости.
В мемуарах Лихтенберга можно было прочитать приблизительно следующее. «Эти узоры мало чем отличаются от гравировального рисунка. Иногда там появлялись почти бесчисленные количества звезд, Млечных путей и больших Солнц. Там были дуги, сияющие на их выпуклой стороне.
Получались блестящие веточки, похожие на те, что можно наблюдать когда влага застывает на оконном стекле. Облака различных форм и тени разной глубины. Но самое большое впечатление оказало на меня то, что эти фигуры было непросто стереть, ведь я пытался стереть их любыми привычными способами.
Я не мог помешать тем фигурам, которые я только что стер, засиять вновь, при том более ярко. Я клал на фигуры лист черной бумаги, смазанный вязким материалом, и слегка придавливал его. Мне удалось таким образом сделать оттиски фигур, шесть из которых были представлены в Королевском обществе.
Этот новый тип получения изображений чрезвычайно порадовал меня, ведь я спешил к другим делам, и у меня не оставалось ни времени, ни желания рисовать или уничтожать все эти рисунки».
В своих следующих экспериментах профессор Лихтенберг пользовался различными высоковольтными электростатическими устройствами чтобы заряжать поверхности самых разных диэлектрических материалов, таких как смола, стекло, эбонит…
Затем он посыпал порошком из смеси серы и четырехокиси свинца заряженные поверхности. Сера (которая становилась отрицательно заряженной при трении о контейнер) сильнее притягивалась к положительно заряженным областям поверхности.
Подобным образом заряженные трением частицы четырехокиси свинца имевшие положительный заряд, – притягивались к областям поверхности с отрицательным зарядом. Цветные порошки придавали ранее невидимым областям связанных на поверхности зарядов, четкие видимые очертания и показывали их полярность.
Так профессору стало ясно, что заряженные области поверхности были сформированы небольшими искрами статического электричества. Искры, когда они вспыхивали вдоль поверхности диэлектрика, оставляли отдельные участки его поверхности электрически заряженными.
После возникновения на поверхности диэлектрика, заряды оставались там на довольно продолжительное время, поскольку сам по себе диэлектрик препятствует их перемещению и рассеиванию. Кроме того Лихтенберг обнаружил, что рисунки положительных и отрицательных фигур пыли заметно различаются.
Разряды создаваемые положительно заряженным высоковольтным выводом, были звездообразными с длинными ветвящимися путями, тогда как разряды от отрицательного электрода получались более короткими, закругленными, веерообразными и похожими на раковины.
Осторожно прикладывая листы бумаги к присыпанным поверхностям, Лихтенберг обнаружил, что он может переносить изображения на бумагу. Так в конечном итоге сформировались современные процессы ксерографии и лазерная печать. Он основал физику, которая от пылевых фигур Лихтенберга эволюционировала в современную науку о физике плазмы.
Многие другие физики, экспериментаторы и художники изучали фигуры Лихтенберга в течение следующих двухсот лет. Среди известных исследователей XIX и XX веков были физики Гастон Планте и Питер Т. Рисс.
В конце XIX века французский художник и ученый Этьен Леопольд Трувло создавал «фигуры Трувело» – теперь известные как фотографические фигуры Лихтенберга – используя катушку Румкорфа в качестве источника высокого напряжения.
Среди других исследователей были Томас Бертон Кинрейд и профессора Карл Эдвард Магнуссон, Максимилиан Топлер, П.О. Педерсен и Артур фон Хиппель…