Po raz pierwszy zainteresowałem się próbowaniem swoich sił w rejestrowaniu iskier, kiedy zauważyłem intrygujące wyładowania elektrostatyczne zarejestrowane na starych kliszach rentgenowskich. Wiedziałem, że te wzory były czasami rejestrowane na filmie w wyniku działania elektryczności statycznej, ale nie miałem pojęcia, że ​​mają tak bogatą historię i odegrały znaczącą rolę w zrozumieniu elektryczności. Do 2008 roku przeprowadziłem kilka obiecujących eksperymentów z kliszą rentgenowską.

Zapis wzorów wykonanych za pomocą elektryczności statycznej sięga wynalezienia tej techniki w 1777 roku przez Georga Lichtenberga. Ponieważ jako pierwszy zaobserwował wzory, są one określane jako figury Lichtenberga.

Na marginesie, Lichtenbergowi przypisuje się również zaprojektowanie standardowego rozmiaru papieru (DIN A4) i nakreślił korzyści wynikające ze stosunku wysokości do szerokości pierwiastka kwadratowego z 2. Lichtenberg zapisał swoje oryginalne wzory w żywicy soku drzewnego; nowoczesne techniki wykorzystują techniki rejestracji filmowej lub cyfrowej.

Jesienią 2018 roku będąc na konferencji w Holandii miałem okazję odwiedzić Muzeum Teylera. Podczas zwiedzania dowiedziałem się o znaczącym wkładzie muzeum w badanie wzorców iskier elektrycznych, dzięki zainstalowaniu w grudniu 1784 r. gigantycznej maszyny elektrostatycznej.

Iskra elektryczna powstająca, gdy arkusz kliszy fotograficznej jest umieszczany między dwiema elektrodami wysokiego napięcia. Początkowo film gromadzi ładunek na powierzchni i działa jak kondensator. Przy pewnym napięciu potencjałowym film, który jest materiałem dielektrycznym, pęka i umożliwia przepływ elektronów. Przepływające elektrony przegrzewają powietrze, powodując iskrę elektryczną, która jest rejestrowana w emulsji filmowej. Tutaj elektrodę o dziwnym kształcie umieszczono pod folią arkuszową. Są one często nazywane figurami Lichtenberga na cześć niemieckiego fizyka Georga Christopha Lichtenberga, który odkrył je i zbadał w 1777 roku.

Byłem pod wrażeniem ogromnego generatora elektrostatycznego, który miał ponad dwa metry wysokości. W jednym rogu pokoju zauważyłem oryginalne miedziane akwaforty przedstawiające wzory Lichtenberga stworzone przez stopioną smołę gigantycznej maszyny elektrostatycznej. Zanotowałem sobie w pamięci, aby ponownie przyjrzeć się mojemu projektowi rejestrowania wzorców elektrycznych za pomocą kliszy i aparatu cyfrowego.

Liczby Lichtenberga powstają w ciągu miliardowych części sekundy (nanosekund), gdy powietrze lub tworzywo sztuczne ulega rozkładowi dielektrycznemu, który umożliwia przejście wysokiego napięcia przez materiał. Ten proces jest pożądany, aby działała szybka fotograficzna lampa błyskowa z szczeliną powietrzną. Zrozumienie tego procesu pozwala na działanie ultraszybkich błysków szczeliny powietrznej. Tego rodzaju lampy błyskowe są używane do zastosowań wymagających dużej prędkości, takich jak przechwytywanie pocisku w locie.

Tworzenie figury Lichtenberga ma miejsce, gdy impuls wysokiego napięcia styka się z materiałem. Najczęściej materiałem mającym kontakt z impulsem wysokiego napięcia jest izolator w warunkach pokojowych. Jeśli odległość między wysokim napięciem a ziemią jest wystarczająco mała, elektryczność zjonizuje powietrze i zamieni powietrze w przewodzącą plazmę. Przewodząca plazma pozwoli elektryczności podróżować. Ponieważ elektryczność przemieszcza się w powietrzu, powietrze nadal się nagrzewa.

Zbyt duża ilość energii elektrycznej spowoduje, że powietrze stanie się tak gorące, że rozszerzy się szybciej niż prędkość dźwięku i wyda głośny dźwięk. Jest to proces, w którym piorun tworzy grzmot, ale na większą skalę. Zdjęcia tutaj są zapisami ogrzanego powietrza (plazmy) wydzielającego światło. Światło może pochodzić z samego powietrza lub z powierzchni powietrze-materiał.

Efekty powierzchniowe różnych materiałów dają różne kształty figur Lichtenberga w różnych kolorach. Liczby zależą od przewodnictwa, pojemności materiału, siły pola elektrycznego i kilku innych czynników:

W konwencjonalnych obwodach elektrycznych ładunek przemieszcza się od dodatniego do ujemnego potencjału obwodu. Ten zapis pozostał z czasów przed odkryciem elektronu. Teraz wiemy, że elektron jest ładunkiem ruchomym i odpowiada za przepływ energii. W rzeczywistości iskra dodatnia wysokiego napięcia tworzy dren dla elektronów w filmie.

Elektrony płyną razem tak szybko, jak tylko mogą. Okazuje się, że przepływ elektronów i wynikające z niego wyładowanie koronowe jest niewiarygodnie szybkie i tworzy wzór Lichtenberga w setki nanosekund.

Pozytywne wyładowania iskrowe wyglądają inaczej niż ujemne wyładowania iskrowe. Teraz wiemy, że materiał filmowy jest źródłem elektronów dla ładunku dodatniego (to znaczy elektrony w filmie przesuną się do elektrody dodatniej). Iskra ujemna jest źródłem elektronów, które przepływają przez powierzchnię filmu.

Świeży arkusz folii umieszczony w uziemionym eksperymencie za każdym razem będzie dawał charakterystyczne wzory. Wyniki eksperymentów nie są jasne, kiedy na filmie nagromadził się szczątkowy nieznany ładunek. Wyniki są często mieszanką wyładowań dodatnich i ujemnych.

Uważam, że te eksperymenty dają szczególnie piękne i zaskakujące wyniki. W większości przypadków fotografuję wyładowania dodatnie, ponieważ bardziej podoba mi się ich wygląd.

Generator Van de Graaffa

To urządzenie zostało wynalezione w 1929 roku przez fizyka Roberta J. Van de Graaffa na Uniwersytecie Princeton. Budowa urządzenia jest stosunkowo prosta, ponieważ plastikowy pas porusza się wokół dwóch kół pasowych wykonanych z różnych materiałów. Ładunek dodatni jest przenoszony z dołu i osadzany na górnej kuli. Powierzchnia kuli jest ważna, ponieważ górna sfera działa jako urządzenie magazynujące ładunek lub kondensator.

Ryc. 2. Prosta konfiguracja rejestracji iskry za pomocą aparatu cyfrowego.

W tej konfiguracji druga kula jest umieszczana w pobliżu kuli Van de Graaffa i działa jako iskiernik w eksperymencie. Druga kula dostarcza ładunek dodatni do filmu. Taka konfiguracja daje bardzo spójne i powtarzalne wyniki, a generator Van de Graaffa jest stosunkowo bezpieczny do eksperymentów, o ile projekt nie jest modyfikowany przez zwiększenie rozmiaru kuli lub podłączenie zewnętrznych kondensatorów.

Rys. 3. Widok z boku wyładowania iskrowego i kamery.

Podstawa generatora Van de Graaffa działa jak masa, a przewodząca podstawa pod folią jest połączona z tym punktem jako masa odniesienia dla eksperymentu.

Podczas pracy generatora odległość między kulami (A i B) jest regulowana, aby wyzwolić iskrę o żądanym napięciu. Odległość S dla iskry to odległość, która jest regulowana. Iskra o napięciu 30 000 woltów przeskoczy o 1 centymetr. Kula A Van de Graaffa utrzymuje ładunek i działa jak kondensator.

Im większa powierzchnia kuli, tym większy ładunek i większy prąd wyzwalanej iskry. Ze względów bezpieczeństwa dobrze jest nie modyfikować dostarczonego sprzętu. Iskra przesunie się wzdłuż przewodu C i wyładuje się po emulsyjnej stronie folii. Folia jest umieszczona na przewodzącym aluminium. Ta konfiguracja testowa pokazuje iskrę przemieszczającą się po grubym arkuszu Mylaru umieszczonym na wierzchu uziemionego arkusza aluminium.

Ryc. 4: Iskra zapewniła oświetlenie obrazu. Zwróć uwagę, że na plastikowej płytce zebrał się kurz z pomieszczenia. Zanieczyszczenie pyłem jest stałym źródłem problemów podczas pracy z tymi technikami. Tutaj drut jest stosunkowo gruby i pokryty ciężkim izolatorem. W rzeczywistej sesji zdjęciowej gruby drut jest zastępowany nieizolowanym cienkim drutem na ostatnich kilku centymetrach.

Aby uprościć korzystanie z aparatu cyfrowego, używam cienkiego wygiętego drutu wyładowczego i bezpośrednio fotografuję wyładowanie. Jeśli badany materiał nie jest przewodnikiem (np. folia), warstwę szkła można pominąć. Odkryłem, że arkusze miki tworzą unikalne wzory, podobnie jak różne rodzaje i grubości szkła.

Im cieńsza przewodząca warstwa szkła, tym silniejsze wytwarzane pole elektryczne i lepszy wzór wyładowania elektrycznego.

Cienki drut jest umieszczany na badanym materiale i służy do wyładowania iskrowego. Aparat jest umieszczony bezpośrednio nad obiektem lub z boku. Ta technika sprawdza się dobrze w przypadku materiałów nieprzezroczystych, o ile iskra nie może przemieścić się pod powierzchnię. Jeśli w tym zastosowaniu używany jest papier fluorescencyjny, iskra może przemieszczać się pod papierem i nie być widoczna dla kamery.

Oczywiście ta technika jest otwarta na wiele eksperymentów. Ponieważ iskra wysokiego napięcia emituje dużo światła UV, można użyć papieru fluorescencyjnego do przechwytywania tego światła i zwiększenia ilości światła rejestrowanego przez aparat. Przezroczyste elektrody mogą być wykonane ze słonej wody i można wymyślić wiele innych konfiguracji. Na koniec – nie zapominaj, że iskry można utrwalić na filmie.

Wyładowanie na arkuszu miki umieszczonym nad czerwonym papierem fluorescencyjnym. Mały odcinek drutu można zobaczyć na środku obrazu.

Dodatnie wyładowanie iskrowe na arkuszu miki nad żółtym fluorescencyjnym arkuszem papieru.

Ujemne wyładowanie na szkle nad aluminiową podstawą.

Wyładowanie na arkuszu błyszczącego papieru do drukarek atramentowych.

Wyładowanie z rury aluminiowej na arkuszu folii.

Oto krótki film, który zrobiłem o procesie fotografowania iskier:

Aby uzyskać więcej informacji, zajrzyj do mojej ostatniej książki opisującej ten eksperyment i wiele innych.

o autorze

ed Kinsman jest profesorem nadzwyczajnym na Wydziale Nauk Fotograficznych w Rochester Institute of Technology w Rochester w stanie Nowy Jork, gdzie prowadzi zajęcia z fotografii szybkiej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Posiada stopnie naukowe z optyki, fizyki i nauczania przedmiotów ścisłych. Możesz dowiedzieć się więcej o nim i śledzić jego pracę na jego stronie internetowej.