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».
Немецкая почтовая марка 1992 года "250 лет со дня рождения Георга Кристофа Лихтенберга"
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.
Большинство современных исследователей и художников использовали фотопленку, чтобы напрямую улавливать слабый свет, излучаемый электрическими разрядами.
Богатый английский промышленник и исследователь высокого напряжения, лорд Уильям Г.Армстронг опубликовал две прекрасные полноцветные книги, в которых представлены некоторые из его исследований высокого напряжения и фигур Лихтенберга.
Хотя этих книг сейчас довольно мало, копия первой книги Армстронга «Электрическое движение в воздухе и воде с теоретическими выводами» стала доступной благодаря добрым усилиям Джеффа Бехари в Музее электротерапии на рубеже веков.
В середине 1920-х годов фон Хиппель обнаружил, что фигуры Лихтенберга на самом деле получаются в результате сложных взаимодействий между коронными разрядами или небольшими электрическими искрами, называемыми стримерами, и диэлектрической поверхностью снизу.
Электрические разряды наносили соответствующие «рисунки» электрического заряда на диэлектрическую поверхность снизу, где они временно связывались. Фон Хиппель также обнаружил, что увеличение прикладываемого напряжения или уменьшение давления окружающего газа приводит к увеличению длины и диаметра отдельных путей.
Питер Рисс обнаружил, что диаметр положительной фигуры Лихтенберга примерно в 2,8 раза больше диаметра отрицательной фигуры, получаемой при том же напряжении.
Соотношения между размером фигур Лихтенберга в зависимости от напряжения и полярности использовались в ранних высоковольтных измерительных и регистрирующих приборах, таких как клидонограф, для измерения как пикового напряжения, так и полярности импульсов высокого напряжения.
Клидонограф, иногда называемый «камерой Лихтенберга», мог фотографически фиксировать размер и форму фигур Лихтенберга, которые были вызваны аномальными электрическими скачками на линиях электропередач из-за ударов молнии.
Измерения с помощью клидонографа позволили исследователям молний и проектировщикам энергосистем в 1930-х и 1940-х годах точно измерять индуцированные молнией напряжения, тем самым предоставляя важную информацию об электрических характеристиках ударов молнии.
Эта информация позволила энергетикам создать «искусственную молнию» с аналогичными характеристиками в лабораторных условиях, чтобы они могли проверить эффективность различных подходов к защите от молний. С тех пор молниезащита стала неотъемлемой частью конструкции всех современных систем передачи и распределения электроэнергии.
На рисунке приведены примеры клидонограмм положительных и отрицательных переходных процессов высокого напряжения различной амплитуды в зависимости от полярности. Обратите внимание, насколько положительные фигуры Лихтенберга больше по диаметру в сравнении с отрицательными фигурами, при том что пиковые напряжения имели одинаковую величину.
В более современной версии этого устройства — тейнографе - использовалась комбинация линий задержки и нескольких датчиков, похожих на клидонограф, для захвата серии сдвинутых во времени «снимков» данного переходного процесса, что позволило инженерам фиксировать общую форму волны переходных процессов при высоком напряжении.
Хотя в конечном итоге они были заменены современным электронным оборудованием, тейнографы продолжали использоваться в течение 1960-х годов для изучения поведения молний и коммутационных переходных процессов в линиях передачи высокого напряжения.
Теперь известно, что фигуры Лихтенберга возникают при электрическом пробое газов, изолирующих жидкостей и твердых диэлектриков. Фигуры Лихтенберга могут быть созданы в течение наносекунд, когда на диэлектрик действует очень высокое электрическое напряжение, или они могут развиваться в течение ряда лет вследствие серии небольших (с низкой энергией) пробоев.
Бесчисленные частичные разряды на поверхности или внутри твердых диэлектриков часто создают медленно растущие, частично проводящие двумерные поверхностные фигуры Лихтенберга или внутренние трехмерные «электрические деревья».
Двумерные электрические деревья часто встречаются на поверхности загрязненных изоляторов линий электропередач. 3D-деревья также могут формироваться в скрытых от человеческого взора областях внутри изоляторов из-за наличия мелких примесей или пустот, либо в местах где изолятор был физически поврежден.
Поскольку эти частично проводящие деревья могут в конечном итоге вызвать полный электрический отказ изолятора, предотвращение на корню образования и роста таких «деревьев» имеет решающее значение для долгосрочной надежности всего высоковольтного оборудования.
Трехмерные фигуры Лихтенберга внутри прозрачного пластика были впервые созданы физиками Арно Брашем и Фрицем Ланге в конце 1940-х годов. Используя свой недавно изобретенный ускоритель электронов, они впрыснули триллионы свободных электронов в пластмассовые образцы, вызвав электрический пробой и обугливание в форме внутренней фигуры Лихтенберга.
Электроны - крошечные отрицательно заряженные частицы, которые вращаются вокруг положительно заряженных ядер атомов, из которых состоит вся конденсированная материя. Браш и Ланге использовали импульсы высокого напряжения от многомиллионного генератора Маркса, предназначенного для управления ускорителем импульсного электронного пучка.
Их конденсаторный прибор мог генерировать импульсы в три миллиона вольт и был в состоянии создать мощный разряд свободных электронов с невероятным пиковым током величиной до 100000 ампер.
Светящаяся область сильно ионизированного воздуха, создаваемая выходящим сильноточным пучком электронов, напоминала голубовато-фиолетовое пламя ракетного двигателя.
Полный набор черно-белых изображений, включая фигуры Лихтенберга внутри прозрачного пластикового блока, недавно стал доступен в Интернете.