Figures de Lichtenberg : histoire, principe physique de l'impact
Les figures de Lichtenberg sont appelées motifs ramifiés en forme d'arbre obtenus en faisant passer des décharges électriques à haute tension à la surface ou à l'intérieur de la masse des matériaux diélectriques.
Les premières figures de Lichtenberg sont bidimensionnelles, ce sont des figures formées de poussière. Pour la première fois, ils ont été observés en 1777 par un physicien allemand - professeur Georg Christoph Lichtenberg… La poussière en suspension dans l'air qui s'est déposée sur les surfaces des plaques de résine chargées électriquement dans son laboratoire a créé ces motifs inhabituels.
Le professeur a démontré ce phénomène à ses étudiants en physique, il a également parlé de cette découverte dans ses mémoires. Lichtenberg a décrit cela comme une nouvelle méthode d'étude de la nature et du mouvement d'un fluide électrique.
Quelque chose de similaire peut être lu dans les mémoires de Lichtenberg. « Ces motifs ne sont pas très différents du motif de gravure. Parfois apparaissent des étoiles presque innombrables, la Voie lactée et les grands soleils. Les arcs-en-ciel brillaient sur leur face convexe.
Le résultat était des brindilles brillantes semblables à celles que l'on peut voir lorsque l'humidité gèle sur une fenêtre. Nuages de différentes formes et ombres de différentes profondeurs. Mais la plus grande impression pour moi était que ces chiffres n'étaient pas faciles à effacer car j'essayais de les effacer par l'une des méthodes habituelles.
Je n'ai pas pu empêcher les formes que je venais d'effacer de briller à nouveau, plus lumineuses. J'ai posé une feuille de papier noir enduit d'une matière visqueuse sur les figures et j'ai légèrement appuyé dessus. J'ai ainsi pu réaliser des tirages de personnages dont six ont été présentés à la Royal Society.
Ce nouveau type d'acquisition d'images m'a rendu extrêmement heureux car j'étais pressé de faire autre chose et n'avais ni le temps ni l'envie de dessiner ou de détruire tous ces dessins. «
Dans ses expériences ultérieures, le professeur Lichtenberg a utilisé divers dispositifs électrostatiques à haute tension pour charger les surfaces d'une grande variété de matériaux diélectriques tels que la résine, le verre, l'ébonite...
Il a ensuite saupoudré un mélange de soufre et de tétroxyde de plomb sur les surfaces chargées. Le soufre (qui s'est chargé négativement par frottement dans le récipient) était davantage attiré par les surfaces chargées positivement.
De même, les particules de tétroxyde de plomb chargées par friction qui ont une charge positive ont été attirées vers les régions chargées négativement de la surface. Les poudres colorées ont donné aux régions auparavant invisibles des charges liées à la surface une forme clairement visible et ont montré leur polarité.
Ainsi, il devint clair pour le professeur que les sections chargées de la surface étaient formées par de petites étincelles. électricité statique… Les étincelles, alors qu'elles traversaient la surface du diélectrique, ont laissé des zones séparées de sa surface chargées électriquement.
Après leur apparition à la surface du diélectrique, les charges y restent assez longtemps, car le diélectrique lui-même empêche leur déplacement et leur dispersion. De plus, Lichtenberg a constaté que les modèles de valeurs de poussière positives et négatives étaient significativement différents.
Les décharges produites par le fil haute tension chargé positivement étaient en forme d'étoile avec de longs chemins de ramification, tandis que les décharges de l'électrode négative étaient plus courtes, arrondies, en forme d'éventail et en forme de coquille.
En plaçant soigneusement des feuilles de papier sur les surfaces poussiéreuses, Lichtenberg a découvert qu'il pouvait transférer des images sur du papier. Ainsi, les processus modernes de xérographie et d'impression laser ont finalement été formés.Il a fondé la physique qui a évolué des figures de poudre de Lichtenberg à la science moderne. sur la physique des plasmas.
De nombreux autres physiciens, expérimentateurs et artistes ont étudié les figures de Lichtenberg au cours des deux cents années suivantes. Parmi les chercheurs notables des XIXe et XXe siècles figuraient des physiciens Gaston Plante et Peter T. Riess.
A la fin du XIXe siècle, un artiste et scientifique français Étienne Léopold Trouvaux créé «Figurines Truvelo» - désormais connu sous le nom de Personnages photographiques de Lichtenberg - en utilisant Bobine de Rumkorf comme source de haute tension.
Les autres chercheurs étaient Thomas Burton Kinreid et les professeurs Carl Edward Magnusson, Maximilian Topler, P.O. Pedersen et Arthur von Hippel.
La plupart des chercheurs et artistes modernes ont utilisé un film photographique pour capturer directement la faible lumière émise par décharges électriques.
Riche industriel anglais et chercheur en haute tension, Lord William G.Armstrong a publié deux excellents livres en couleur qui présentent certaines de ses recherches sur la haute tension et les figures de Lichtenberg.
Bien que ces livres soient maintenant assez petits, un exemplaire du premier livre d'Armstrong, Electric Motion in Air and Water with Theoretical Deductions, a été mis à disposition grâce aux aimables efforts de Geoff Beharry au Musée d'électrothérapie au tournant du siècle.
Au milieu des années 1920, von Hippel découvrit que Les figures de Lichtenberg sont en fait le résultat d'interactions complexes entre les décharges corona, ou de minuscules étincelles électriques appelées streamers, et la surface diélectrique en dessous.
Les décharges électriques appliquent des "modèles" correspondants de charge électrique à la surface diélectrique en dessous, où ils se lient temporairement. Von Hippel a également découvert que l'augmentation de la tension appliquée ou la diminution de la pression du gaz environnant entraînait une augmentation de la longueur et du diamètre des trajets individuels.
Peter Ries a découvert que le diamètre de la figure positive de Lichtenberg était d'environ 2,8 fois le diamètre de la figure négative obtenue à la même tension.
Les relations entre la taille des figures de Lichtenberg en fonction de la tension et de la polarité ont été utilisées dans les premiers instruments de mesure et d'enregistrement de haute tension, tels que le clidonographe, pour mesurer à la fois la tension de crête et la polarité des impulsions haute tension.
Le clidonographe, parfois appelé "appareil photo de Lichtenberg", peut capturer photographiquement la taille et la forme des figures de Lichtenberg causées par des surtensions électriques anormales. le long des lignes électriques en raison de éclairs.
Les mesures clidonographiques ont permis aux chercheurs sur la foudre et aux concepteurs de systèmes électriques dans les années 1930 et 1940 de mesurer avec précision les tensions induites par la foudre, fournissant ainsi des informations importantes sur les caractéristiques électriques de la foudre.
Ces informations ont permis aux ingénieurs électriciens de créer en laboratoire des "foudres artificielles" avec des caractéristiques similaires afin de pouvoir tester l'efficacité de différentes approches de protection contre la foudre. Depuis lors, la protection contre la foudre est devenue une partie intégrante de la conception de tous les systèmes modernes de transmission et de distribution.
La figure montre des exemples de clidonogrammes de transitoires haute tension positifs et négatifs avec des amplitudes différentes selon la polarité. Remarquez comment les figures positives de Lichtenberg ont un diamètre plus grand que les figures négatives, tandis que les tensions de crête sont de la même amplitude.
Une version plus récente de cet appareil, le théinographe, utilise une combinaison de lignes à retard et de plusieurs capteurs de type clidonographe pour capturer une série d '«instantanés» en accéléré d'un transitoire, permettant aux ingénieurs de capturer la forme d'onde transitoire globale avec une haute tension.
Bien qu'ils aient finalement été remplacés par des équipements électroniques modernes, les inographes ont continué à être utilisés dans les années 1960 pour étudier le comportement de la foudre et des transitoires de commutation sur les lignes de transmission à haute tension.
On sait maintenant que Les figures de Lichtenberg se produisent lors du claquage électrique des gaz, des liquides isolants et des diélectriques solides. Les figures de Lichtenberg peuvent être créées en quelques nanosecondes lorsqu'une tension électrique très élevée est appliquée au diélectrique, ou elles peuvent se développer sur plusieurs années en raison d'une série de petites pannes (à faible énergie).
D'innombrables décharges partielles à la surface ou à l'intérieur de diélectriques solides créent souvent des figures de Lichtenberg de surface 2D à croissance lente et partiellement conductrices ou des arbres électriques 3D internes.
Les arbres électriques 2D se trouvent souvent à la surface des isolateurs de lignes électriques contaminés. Des arbres 3D peuvent également se former dans des zones cachées à la vision humaine dans les isolateurs en raison de la présence de petites impuretés ou de vides, ou dans des endroits où l'isolateur est physiquement endommagé.
Étant donné que ces arbres partiellement conducteurs peuvent éventuellement provoquer une panne électrique complète de l'isolant, empêcher la formation et la croissance de tels «arbres» à leurs racines est essentiel à la fiabilité à long terme de tous les équipements haute tension.
Les figures tridimensionnelles de Lichtenberg en plastique transparent ont été créées pour la première fois par les physiciens Arno Brasch et Fritz Lange à la fin des années 1940. À l'aide de leur accélérateur d'électrons nouvellement découvert, ils ont injecté des milliards d'électrons libres dans des échantillons de plastique, provoquant une panne électrique et une carbonisation sous la forme de la figure intérieure de Lichtenberg.
Électrons — petites particules chargées négativement qui tournent autour des noyaux chargés positivement des atomes qui composent toute la matière condensée. Brush et Lange ont utilisé des impulsions haute tension du générateur de plusieurs millions de dollars de Marx conçu pour piloter un accélérateur de faisceaux d'électrons pulsés.
Leur dispositif à condensateur peut générer des impulsions de trois millions de volts et est capable de créer une puissante décharge d'électrons libres avec des courants de crête incroyables allant jusqu'à 100 000 ampères.
La région incandescente d'air hautement ionisé créée par le faisceau d'électrons sortant à haute intensité ressemblait à la flamme bleu-violet d'un moteur de fusée.
L'ensemble complet d'images en noir et blanc, y compris les personnages de Lichtenberg dans un bloc de plastique transparent, est récemment devenu disponible en ligne.