Una figura de Lichtenberg (en alemán, Lichtenberg-Figur ) o figura de polvo de Lichtenberg es una descarga eléctrica ramificada que a veces aparece en la superficie o en el interior de materiales aislantes . Las figuras de Lichtenberg suelen estar asociadas al deterioro progresivo de los componentes y equipos de alto voltaje. El estudio de las figuras de Lichtenberg planas a lo largo de las superficies aislantes y los árboles eléctricos 3D dentro de los 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 exhiben propiedades fractales .
Las figuras de Lichtenberg reciben su nombre del físico alemán Georg Christoph Lichtenberg , quien las descubrió y estudió originalmente. 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 espolvoreando diversos 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 sólo estudió figuras bidimensionales (2D), los investigadores modernos de alto voltaje estudian figuras bidimensionales y tridimensionales ( árboles eléctricos ) sobre y dentro de materiales aislantes.
Las figuras de Lichtenberg bidimensionales (2D) se pueden producir colocando una aguja puntiaguda perpendicular a la superficie de una placa no conductora, como resina , ebonita o vidrio . La punta se coloca muy cerca o en contacto con la placa. Se aplica una fuente de alto voltaje, como una botella de Leyden (un tipo de condensador ) o un generador de electricidad estática , a la aguja, normalmente a través de un espacio de chispa . Esto crea una descarga eléctrica repentina y pequeña 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 rociando una mezcla de flores en polvo de azufre y plomo rojo (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 plomo rojo tiende a adquirir una ligera carga positiva. El azufre electrificado negativamente es atraído por las zonas electrificadas positivamente de la placa, mientras que el plomo rojo electrificado positivamente es atraído por las zonas electrificadas negativamente. [ cita requerida ]
Además de la distribución de colores que se produce de esta manera, 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 veía una mancha muy extendida en la placa, que consistía en un núcleo denso, del cual irradiaban ramas en todas direcciones. Las áreas con carga negativa son considerablemente más pequeñas y tienen un límite circular o en forma de abanico completamente desprovisto de ramas. Heinrich Rudolf Hertz empleó figuras de polvo de Lichtenberg en su trabajo seminal que probaba las teorías de 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, que consiste en un gran núcleo central rojo, correspondiente a la carga negativa, rodeado de rayos amarillos, correspondientes a la carga positiva. La diferencia entre las figuras positivas y negativas parece depender de la presencia de aire ; ya que la diferencia tiende a desaparecer cuando el experimento se realiza en 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 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 en exceso quedan temporalmente atrapadas. Las formas de las distribuciones de carga resultantes reflejan la forma de las descargas de chispas 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 de Lichtenberg positivas tienen estructuras ramificadas más largas porque las chispas largas dentro del 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]
Otro tipo de figura de Lichtenberg 2D se puede crear 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 un calentamiento localizado y una degradación progresiva y carbonización del material subyacente. Con el tiempo, se forman patrones carbonizados ramificados en forma de árbol 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 una falla catastrófica del material aislante. Algunos artistas aplican deliberadamente agua salada a la superficie de la madera o el cartón y luego aplican un alto voltaje a través de la superficie para generar complejas figuras carbonizadas de Lichtenberg 2D sobre la superficie. [ cita requerida ]
Los patrones ramificados y autosimilares observados en las figuras de Lichtenberg exhiben propiedades fractales . Las figuras de Lichtenberg a menudo se desarrollan 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, y se conoce como modelo de ruptura dieléctrica (DBM). [7]
Aunque los mecanismos de descomposición eléctrica del aire y del plástico PMMA son considerablemente diferentes, las descargas ramificadas resultan estar relacionadas. Las formas de ramificación que adoptan los rayos naturales también tienen características fractales. [8]
Las figuras de Lichtenberg son ejemplos de fenómenos naturales que presentan propiedades fractales . La aparición y evolución de estas y otras estructuras arbóreas que abundan en la naturaleza se resumen en la ley constructal . Publicada por primera vez por el profesor de Duke Adrian Bejan en 1996, la ley constructal 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 constructal predice que los diseños arbóreos 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 similares a helechos que pueden aparecer en la piel de las víctimas de rayos y generalmente 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 impactado. A veces se encuentran en campos de golf o en prados herbosos. [12] También se pueden crear depósitos minerales de " fulgurita " con forma de raíz ramificada a medida que la arena y el suelo se fusionan en tubos vítreos por el intenso calor de la corriente.
La formación de árboles eléctricos suele producirse en equipos de alta tensión antes de que se produzca una avería completa. Seguir estas figuras de Lichtenberg dentro del aislamiento durante la investigación posterior a un accidente de una falla del aislamiento puede ser útil para encontrar la causa de la avería. A partir de la dirección y la forma de los árboles y sus ramas, un ingeniero de alta tensión experimentado puede ver exactamente el punto en el que el aislamiento comenzó a romperse y, utilizando ese conocimiento, posiblemente encuentre también la causa inicial. Los transformadores, cables de alta tensión, pasamuros y otros equipos averiados se pueden investigar de forma útil de esta manera. El aislamiento se desenrolla (en el caso del aislamiento de papel) o se corta en rodajas finas (en el caso de materiales aislantes sólidos). A continuación, los resultados se dibujan o fotografían para crear un registro del proceso de avería.
Las figuras de Lichtenberg modernas también se pueden crear dentro de materiales aislantes sólidos, como acrílico (polimetilmetacrilato o PMMA ) o vidrio, inyectándolos con un haz de electrones de alta energía desde un acelerador lineal de haz de electrones (o Linac , un tipo de acelerador de partículas ). [13] Dentro del Linac, los electrones se enfocan 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 de acrílico grueso, los electrones penetran fácilmente la superficie del acrílico, desacelerando rápidamente a medida que chocan con las moléculas dentro del plástico, y finalmente se detienen en lo profundo 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 la 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 ruptura, se forman rápidamente canales conductores ramificados similares a árboles o helechos que 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 rayo . La ruptura de una muestra cargada también se puede desencadenar manualmente al pinchar el plástico con un objeto conductor puntiagudo para crear un punto de tensión excesiva. Durante la descarga, las potentes chispas eléctricas dejan miles de cadenas de fracturas ramificadas detrás, creando una figura de Lichtenberg permanente 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 rayos o árboles de rayos .
A medida que los electrones se desaceleran rápidamente dentro del acrílico, también generan potentes rayos X. Los electrones y rayos X residuales oscurecen el acrílico al introducir defectos (centros de color) en un proceso llamado solarización . La solarización inicialmente convierte las muestras de acrílico en un color verde lima que luego cambia a un color ámbar después de que la muestra ha sido descargada. El color generalmente se desvanece con el tiempo, y el calentamiento suave, combinado con oxígeno, acelera el proceso de desvanecimiento. [15]
Las figuras de Lichtenberg también se pueden realizar sobre 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 disminuye considerablemente. Luego se colocan dos electrodos sobre la madera y se hace pasar un alto voltaje a través de ellos. 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 en un patrón hacia afuera de los electrodos. El proceso puede ser peligroso y provoca muertes cada año por electrocución. [17]
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