Как записать электрические разряды с помощью цифровой камеры

Запись узоров, созданных статическим электричеством, восходит к изобретению этой техники Георгом Лихтенбергом в 1777 году. Поскольку он был первым, кто наблюдал закономерности, их называют фигурами Лихтенберга.

Впервые я заинтересовался регистрацией искр, когда заметил несколько интригующих статических разрядов, записанных на старых рентгеновских пленках. Я знал, что эти узоры иногда фиксировались на пленке в результате воздействия статического электричества, но понятия не имел, что они имеют такую ​​богатую историю и играют значительную роль в понимании электричества. К 2008 году я провел несколько многообещающих экспериментов с рентгеновской пленкой. В 2018 году я наконец нашел время написать небольшую статью.

Осенью 2018 года, будучи на конференции в Голландии, мне представилась возможность посетить музей Тейлера. Во время экскурсии я узнал о значительном вкладе музея в изучение моделей электрических искр благодаря установке гигантской электростатической машины в декабре 1784 года. Я был в восторге от огромного электростатического генератора, возвышающегося более чем на два метра в высоту. В одном углу комнаты я заметил оригинальные гравюры на меди, демонстрирующие узоры Лихтенберга, созданные расплавленной смолой гигантской электростатической машины. Я сделал мысленную пометку вернуться к своему проекту по записи электрических структур с использованием как пленки, так и цифровой камеры.

Фигуры Лихтенберга создаются за миллиардные доли секунды (наносекунды), когда воздух или пластик подвергаются диэлектрическому пробою, который позволяет высокому напряжению проходить через материал. Этот процесс необходим для работы высокоскоростной фотографической вспышки с воздушным зазором. Понимание этого процесса позволяет использовать сверхбыстрые вспышки с воздушным зазором. Эти типы вспышек используются для высокоскоростных съемок, например, для съемки пули в полете.

Создание фигуры Лихтенберга происходит при контакте высоковольтного импульса с материалом. Чаще всего материал, контактирующий с импульсом высокого напряжения, в комнатных условиях является изолятором. Если расстояние между источником высокого напряжения и землей достаточно короткое, электричество ионизирует воздух и превращает воздух в проводящую плазму. Проводящая плазма позволит электричеству путешествовать.

Когда электричество распространяется по воздуху, воздух продолжает нагреваться. Слишком много электричества, и воздух станет настолько горячим, что будет расширяться быстрее скорости звука и издавать громкий шум. Это процесс, посредством которого молния порождает гром, но в большем масштабе. Изображения здесь представляют собой записи нагретого воздуха (плазмы), излучающего свет. Свет может исходить только от воздуха или от поверхности воздушно-материального материала. Поверхностные эффекты разных материалов приводят к появлению фигур Лихтенберга разной формы и разных цветов. Цифры зависят от проводимости, емкости материала, напряженности электрического поля и ряда других факторов:

В обычных электрических цепях заряд перемещается от положительного потенциала цепи к отрицательному. Эти обозначения остались со времен, предшествовавших открытию электрона. Теперь мы знаем, что электрон является подвижным зарядом и отвечает за поток энергии. На самом деле положительная искра высокого напряжения создает сток электронов в пленке. Электроны стекаются вместе так быстро, как только могут. Оказывается, поток электронов и возникающий в результате коронный разряд невероятно быстры и образуют узор Лихтенберга за сотни наносекунд.

Положительные искровые разряды выглядят иначе, чем отрицательные искровые разряды. Теперь мы знаем, что материал пленки является источником электронов положительного заряда (то есть электроны в пленке будут двигаться к положительному электроду). Отрицательная искра является источником электронов, которые будут течь по поверхности пленки. Свежий лист пленки, помещенный в обоснованный эксперимент, каждый раз будет давать характерные узоры. Результаты экспериментов неясны, если на пленке накопился остаточный неизвестный заряд. Результаты часто представляют собой смесь положительных и отрицательных разрядов. Я считаю, что эти эксперименты дают особенно красивые и удивительные результаты.