Lichtenberg 人物：历史、影响的物理原理

Lichtenberg 图形被称为分支树状图案，通过在介电材料的表面或内部传递高压放电而获得。

利希滕贝格的第一个人物是二维的，他们是由尘埃形成的人物。 1777 年，一位德国物理学家教授首次观察到它们 乔治·克里斯托弗·利希滕贝格……在他的实验室中，空气中的尘埃落在带电树脂板的表面，形成了这些不寻常的图案。

教授向他的物理系学生演示了这一现象，他也在回忆录中谈到了这一发现。 Lichtenberg 将此描述为一种研究电流体性质和运动的新方法。

在利希滕贝格的回忆录中可以读到类似的内容。 “这些图案与雕刻图案没有太大区别。有时会出现几乎无数的星星，银河系和大太阳。彩虹闪耀在他们凸起的一面。

结果是闪亮的树枝类似于窗户上的水分结冰时可以看到的树枝。不同形状的云和不同深度的阴影。但给我最大的印象是这些数字不容易擦掉，因为我试图用任何常用的方法擦掉它们。

我无法阻止我刚刚擦除的形状再次发光，更亮。我把一张涂有粘性物质的黑纸放在图形上，轻轻压一下。因此，我能够制作人物印刷品，其中六幅被赠送给皇家学会。

这种新型的图像采集方式让我非常高兴，因为我急于做其他事情，既没有时间也没有欲望去画或毁掉所有这些图画。 «

在他随后的实验中，Lichtenberg 教授使用各种高压静电设备为树脂、玻璃、硬橡胶等各种介电材料的表面充电。

然后，他在带电表面撒上硫磺和四氧化铅的混合物。硫磺（由于容器中的摩擦而带负电）更容易被带正电的表面吸引。

同样，带正电荷的带摩擦电荷的四氧化铅颗粒被吸引到表面带负电荷的区域。有色粉末使以前不可见的表面结合电荷区域呈现出清晰可见的形状，并显示出它们的极性。

因此，教授很清楚表面的带电部分是由小火花形成的。 静电……火花在电介质表面闪过时，在其表面的不同区域留下了电荷。

电荷出现在电介质表面后，会在那里停留相当长的时间，因为电介质本身会阻止电荷的移动和分散。此外，利希滕贝格还发现正负尘埃值的模式存在显着差异。

带正电的高压线产生的放电呈星形，分支路径较长，而负极放电较短，呈圆形、扇形和贝壳状。

通过小心地将纸张放在布满灰尘的表面上，Lichtenberg 发现他可以将图像转移到纸张上。从而最终形成了静电复印和激光印刷等现代工艺，他创立了从利希滕贝格的粉末图形发展成为现代科学的物理学。 等离子物理学.

在接下来的 200 年里，许多其他物理学家、实验家和艺术家研究了利希滕贝格的人物。 19 世纪和 20 世纪著名的研究人员包括物理学家 加斯顿普兰特 和 彼得·里斯.

19世纪末，一位法国艺术家和科学家 艾蒂安·利奥波德·特鲁沃 创建 «Truvelo 数字» ——现在被称为 利希滕贝格摄影人物 - 使用 Rumkorf线圈 作为高压源。

其他研究人员包括 Thomas Burton Kinreid 和 Carl Edward Magnusson 教授、Maximilian Topler、P.O.佩德森和阿瑟·冯·希佩尔。

大多数现代研究人员和艺术家都使用摄影胶片直接捕捉物体发出的微弱光线 放电.

一位富有的英国实业家和高压研究员 Lord 威廉·阿姆斯特朗 出版了两本出色的全彩书籍，介绍了他对高压和利希滕贝格图形的一些研究。

尽管这些书现在很小，但世纪之交时，通过电疗博物馆的杰夫·贝哈里 (Geoff Beharry) 的热心努力，阿姆斯特朗的第一本书《空气和水中的电运动及其理论推导》的副本得以出版。

在 20 年代中期，von Hippel 发现 Lichtenberg 图形实际上是电晕放电或称为流光的微小电火花与下方的电介质表面之间复杂相互作用的结果。

放电将相应的电荷“模式”应用到下方的电介质表面，它们在那里暂时结合。 Von Hippel 还发现，增加施加的电压或降低周围气体的压力会导致各个路径的长度和直径增加。

Peter Ries 发现，在相同电压下获得的正利希滕贝格图形的直径约为负图形直径的 2.8 倍。

Lichtenberg 图形的大小与电压和极性之间的关系被用于早期的高压测量和记录仪器，例如 clidonograph，以测量高压脉冲的峰值电压和极性。

clidonograph，有时被称为“Lichtenberg 相机”，可以通过摄影捕捉由异常电涌引起的 Lichtenberg 人物的大小和形状。 沿着电源线 由于 闪电.

气候测量使 1930 年代和 40 年代的闪电研究人员和电力系统设计人员能够准确测量闪电感应电压，从而提供有关闪电电气特性的重要信息。

这些信息使电力工程师能够在实验室中制造出具有相似特性的“人造闪电”，以便他们可以测试不同防雷方法的有效性。从那时起，防雷已成为所有现代输配电系统设计中不可或缺的一部分。

该图显示了根据极性具有不同振幅的正负高压瞬变的斜线图示例。请注意正 Lichtenberg 图形的直径如何大于负图形，而峰值电压的大小相同。

该设备的更新版本 theinograph 使用延迟线和多个类似 clidonograph 的传感器的组合来捕获瞬态的一系列延时“快照”，从而使工程师能够捕获具有高电压的整体瞬态波形。

尽管它们最终被现代电子设备所取代，但等轴测图在 1960 年代继续用于研究高压传输线上闪电和开关瞬变的行为。

现在知道了 利希滕贝格图出现在气体、绝缘液体和固体电介质的电击穿过程中。 当向电介质施加非常高的电压时，利希滕贝格图形可以在纳秒内创建，或者由于一系列小（低能量）故障，它们可以在数年内发展。

表面或固体电介质内的无数局部放电通常会产生生长缓慢、部分导电的 2D 表面 Lichtenberg 图形或内部 3D 电树。

二维电树经常出现在受污染的电力线绝缘体的表面。由于存在小杂质或空隙，或在绝缘体物理损坏的地方，3D 树也可能形成在绝缘体中人类看不见的区域。

由于这些部分导电的树最终会导致绝缘体完全电气故障，因此防止这种“树”在其根部形成和生长对于所有高压设备的长期可靠性至关重要。

Lichtenberg 的透明塑料三维模型最初是由物理学家 Arno Brasch 和 Fritz Lange 在 1940 年代后期创作的。使用他们新发现的电子加速器，他们将数万亿个自由电子注入塑料样品，导致内部 Lichtenberg 图形的电击穿和炭化。

电子 - 带负电的小粒子围绕构成所有凝聚态物质的带正电原子核旋转。 Brush 和 Lange 使用了 Marx 价值数百万美元的发电机的高压脉冲，该发电机旨在驱动脉冲电子束加速器。

他们的电容器装置可以产生 300 万伏特的脉冲，并能够产生强大的自由电子放电，峰值电流高达 100,000 安培。

由射出的高电流电子束产生的高度电离空气的发光区域类似于火箭发动机的蓝紫色火焰。

完整的黑白图像集，包括透明塑料块中的利希滕贝格人物，最近可以在网上找到。