Una figura de Lichtenberg (en alemán Lichtenberg-Figuren ), o figura de polvo de Lichtenberg , es una descarga eléctrica ramificada que en ocasiones aparece en la superficie o en el interior de materiales aislantes . Las cifras de Lichtenberg suelen asociarse al deterioro progresivo de componentes y equipos de alta tensión. El estudio de figuras planas de Lichtenberg a lo largo de superficies aislantes y árboles eléctricos 3D dentro de materiales aislantes a menudo proporciona a los ingenieros información valiosa para mejorar la confiabilidad a largo plazo de los equipos de alto voltaje. Ahora se sabe que las figuras de Lichtenberg ocurren sobre o dentro de sólidos, líquidos y gases durante una falla eléctrica .
Las figuras de Lichtenberg son fenómenos naturales que presentan propiedades fractales .
Las figuras de Lichtenberg llevan el nombre del físico alemán Georg Christoph Lichtenberg , quien originalmente las descubrió y estudió. Cuando se descubrieron por primera vez, se pensó que sus formas características podrían ayudar a revelar la naturaleza de los "fluidos" eléctricos positivos y negativos.
En 1777, Lichtenberg construyó un gran electróforo para generar electricidad estática de alto voltaje mediante inducción . Después de descargar un punto de alto voltaje en la superficie de un aislante, registró los patrones radiales resultantes rociando varios materiales en polvo sobre la superficie. Luego, al presionar hojas de papel en blanco sobre estos patrones, Lichtenberg pudo transferir y registrar estas imágenes, descubriendo así el principio básico de la xerografía moderna . [1]
Este descubrimiento fue también el precursor de la ciencia moderna de la física del plasma . Aunque Lichtenberg solo estudió figuras bidimensionales (2D), los investigadores modernos de alto voltaje estudian figuras 2D y 3D ( árboles eléctricos ) sobre y dentro de materiales aislantes.
Se pueden producir figuras bidimensionales (2D) de Lichtenberg colocando una aguja puntiaguda perpendicular a la superficie de una placa no conductora, como de resina , ebonita o vidrio . La punta se coloca muy cerca o en contacto con la placa. Se aplica a la aguja una fuente de alto voltaje, como una jarra de Leyden (un tipo de condensador ) o un generador de electricidad estática , generalmente a través de una vía de chispas . Esto crea una pequeña descarga eléctrica repentina a lo largo de la superficie de la placa. Esto deposita áreas de carga varadas sobre la superficie de la placa. Estas áreas electrificadas se prueban luego rociando una mezcla de flores en polvo de azufre y rojo de plomo (Pb 3 O 4 o tetróxido de plomo ) sobre la placa. [2]
Durante la manipulación, el azufre en polvo tiende a adquirir una ligera carga negativa, mientras que el minio tiende a adquirir una ligera carga positiva. El azufre electrificado negativamente es atraído hacia las áreas de la placa electrificadas positivamente, mientras que el plomo rojo electrificado positivamente es atraído hacia las áreas electrificadas negativamente. [ cita necesaria ]
Además de la distribución de colores así producida, también hay una marcada diferencia en la forma de la figura, según la polaridad de la carga eléctrica que se aplicó a la placa. Si las áreas de carga eran positivas, se ve en la placa una mancha muy extendida, que consiste en un núcleo denso, desde el cual se irradian ramas en todas direcciones. Las áreas cargadas negativamente son considerablemente más pequeñas y tienen un límite circular agudo o en forma de abanico, completamente desprovisto de ramas. Heinrich Rudolf Hertz empleó figuras de polvo de Lichtenberg en su trabajo fundamental que demuestra las teorías de las ondas electromagnéticas de Maxwell . [3]
Si la placa recibe una mezcla de cargas positivas y negativas como, por ejemplo, de una bobina de inducción , resulta una figura mixta, formada por un gran núcleo central rojo, correspondiente a la carga negativa, rodeado de rayos amarillos, correspondientes a la carga positiva. . La diferencia entre cifras positivas y negativas parece depender de la presencia de aire ; porque la diferencia tiende a desaparecer cuando el experimento se realiza en el vacío . Peter T. Riess (un investigador del siglo XIX) teorizó que la electrificación negativa de la placa era causada por la fricción del vapor de agua, etc., impulsado a lo largo de la superficie por la explosión que acompaña a la descarga disruptiva en el punto. Esta electrificación favorecería la propagación de una descarga positiva, pero obstaculizaría la de una descarga negativa. [4]
Ahora se sabe que las cargas eléctricas se transfieren a la superficie del aislante a través de pequeñas descargas de chispas que se producen a lo largo del límite entre el gas y la superficie del aislante. [5] Una vez transferidas al aislante, estas cargas excedentes quedan varadas temporalmente. Las formas de las distribuciones de carga resultantes reflejan la forma de las descargas de chispa que, a su vez, dependen de la polaridad de alto voltaje y la presión del gas. El uso de un voltaje aplicado más alto generará figuras de mayor diámetro y más ramificadas. Ahora se sabe que las figuras positivas de Lichtenberg tienen estructuras ramificadas más largas porque las chispas largas en el aire pueden formarse y propagarse más fácilmente desde terminales de alto voltaje cargados positivamente. Esta propiedad se ha utilizado para medir la polaridad de voltaje transitorio y la magnitud de las sobretensiones de rayos en líneas eléctricas. [6]
Se puede crear otro tipo de figura 2D de Lichtenberg cuando una superficie aislante se contamina con material semiconductor. Cuando se aplica un alto voltaje a través de la superficie, las corrientes de fuga pueden causar calentamiento localizado y degradación progresiva y carbonización del material subyacente. Con el tiempo, se forman patrones carbonizados ramificados en forma de árboles sobre la superficie del aislante llamados árboles eléctricos . Este proceso de degradación se llama seguimiento . Si los caminos conductores finalmente unen el espacio aislante, el resultado es un fallo catastrófico del material aislante. Algunos artistas aplican deliberadamente agua salada a la superficie de madera o cartón y luego aplican un alto voltaje a través de la superficie para generar complejas figuras carbonizadas de Lichtenberg en 2D en la superficie. [ cita necesaria ]
Los patrones ramificados y autosemejantes observados en las figuras de Lichtenberg exhiben propiedades fractales . Las figuras de Lichtenberg suelen desarrollarse durante la ruptura dieléctrica de sólidos, líquidos e incluso gases. Su aparición y crecimiento parecen estar relacionados con un proceso llamado agregación limitada por difusión (DLA). Niemeyer, Pietronero y Weismann desarrollaron en 1984 un modelo macroscópico útil que combina un campo eléctrico con DLA, conocido como modelo de ruptura dieléctrica (DBM). [7]
Aunque los mecanismos de ruptura eléctrica del aire y del plástico PMMA son considerablemente diferentes, las descargas ramificadas resultan estar relacionadas. Las formas ramificadas que adoptan los rayos naturales también tienen características fractales. [8]
Las figuras de Lichtenberg son ejemplos de fenómenos naturales que exhiben propiedades fractales . El surgimiento y evolución de estas y otras estructuras arbóreas que abundan en la naturaleza se resumen en la ley constructiva . Publicada por primera vez por el profesor de Duke Adrian Bejan en 1996, la ley constructiva es un primer principio de la física que resume la tendencia de la naturaleza a generar configuraciones (patrones, diseños) que facilitan el libre movimiento de las corrientes impuestas que fluyen a través de ella. La ley constructiva predice que los diseños en forma de árbol descritos en este artículo deberían surgir y evolucionar para facilitar el movimiento (punto a área) de las corrientes eléctricas que fluyen a través de ellos. [9]
Las figuras de Lichtenberg son patrones parecidos a helechos que pueden aparecer en la piel de las víctimas de rayos y normalmente desaparecen en 24 horas. [10] También se conocen como marcas queraunográficas . [11]
Un rayo también puede crear una gran figura de Lichtenberg en la hierba que rodea el punto alcanzado. A veces se encuentran en campos de golf o en prados cubiertos de hierba. [12] También se pueden crear depósitos minerales ramificados de " fulgurita " en forma de raíz a medida que la arena y el suelo se fusionan en tubos vítreos por el intenso calor de la corriente.
La arborización eléctrica ocurre a menudo en equipos de alto voltaje antes de causar una avería completa. Seguir estas cifras de Lichtenberg dentro del aislamiento durante la investigación de un fallo de aislamiento posterior a un accidente puede resultar útil para encontrar la causa de la avería. Un ingeniero experimentado en alto voltaje puede ver por la dirección y la forma de los árboles y sus ramas dónde se encontraba la causa principal de la avería y posiblemente encontrar la causa inicial. De esta manera es útil investigar transformadores, cables de alta tensión, pasatapas y otros equipos averiados. El aislamiento se desenrolla (en el caso de aislamientos de papel) o se corta en rodajas finas (en el caso de materiales aislantes macizos). Luego se dibujan o fotografían los resultados para crear un registro del proceso de descomposición.
Las figuras modernas de Lichtenberg también se pueden crear dentro de materiales aislantes sólidos, como acrílico (polimetilmetacrilato o PMMA ) o vidrio, inyectándoles un haz de electrones de alta energía procedente de un acelerador lineal de haz de electrones (o Linac , un tipo de acelerador de partículas ). [13] Dentro del Linac, los electrones se concentran y aceleran para formar un haz de partículas de alta velocidad. Los electrones que emergen del acelerador tienen energías de hasta 25 MeV y se mueven a una fracción apreciable (95 - 99+ por ciento) de la velocidad de la luz ( velocidades relativistas ).
Si el haz de electrones se dirige hacia una muestra acrílica gruesa, los electrones penetran fácilmente la superficie del acrílico, desacelerando rápidamente al chocar con las moléculas dentro del plástico y finalmente descansando profundamente dentro de la muestra. Dado que el acrílico es un excelente aislante eléctrico, estos electrones quedan atrapados temporalmente dentro de la muestra, formando un plano de exceso de carga negativa. Bajo irradiación continua, la cantidad de carga atrapada aumenta, hasta que el voltaje efectivo dentro de la muestra alcanza millones de voltios. [14] Una vez que la tensión eléctrica excede la rigidez dieléctrica del plástico, algunas partes de repente se vuelven conductoras en un proceso llamado ruptura dieléctrica .
Durante la descomposición, se forman rápidamente canales conductores tipo árbol o helecho que se ramifican y se propagan a través del plástico, lo que permite que la carga atrapada salga repentinamente en un destello y explosión en miniatura similar a un relámpago . La ruptura de una muestra cargada también se puede provocar manualmente pinchando el plástico con un objeto conductor puntiagudo para crear un punto de tensión excesiva. Durante la descarga, las poderosas chispas eléctricas dejan atrás miles de cadenas ramificadas de fracturas, creando una figura permanente de Lichtenberg dentro de la muestra. Aunque la carga interna dentro de la muestra es negativa, la descarga se inicia desde las superficies exteriores cargadas positivamente de la muestra, de modo que la descarga resultante crea una figura de Lichtenberg positiva. Estos objetos a veces se denominan árboles de electrones , árboles de haces o árboles de relámpagos .
A medida que los electrones desaceleran rápidamente dentro del acrílico, también generan potentes rayos X. Los electrones residuales y los rayos X oscurecen el acrílico introduciendo defectos (centros de color) en un proceso llamado solarización . La solarización inicialmente hace que las muestras acrílicas adquieran un color verde lima que luego cambia a un color ámbar después de que la muestra se haya descargado. El color suele desvanecerse con el tiempo y un calentamiento suave, combinado con oxígeno, acelera el proceso de decoloración. [15]
Las figuras de Lichtenberg también se pueden realizar en madera. Los tipos de madera y los patrones de vetas afectan la forma de la figura de Lichtenberg producida. [16] Al aplicar una capa de solución electrolítica a la superficie de la madera, la resistencia de la superficie cae considerablemente. Luego se colocan dos electrodos sobre la madera y se pasa a través de ellos un alto voltaje. La corriente de los electrodos hará que la superficie de la madera se caliente, hasta que el electrolito hierva y la superficie de la madera se queme. Debido a que la superficie carbonizada de la madera es ligeramente conductora, la superficie de la madera se quemará siguiendo un patrón hacia afuera de los electrodos. El proceso puede ser peligroso y provocar muertes cada año por electrocución. [17]
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