リヒテンベルク図

リヒテンベルク図（ドイツ語：Lichtenberg-Figur）またはリヒテンベルクダスト図は、絶縁材料の表面または内部に時々現れる分岐放電です。リヒテンベルク図は、高電圧部品および機器の進行性劣化と関連付けられることがよくあります。絶縁表面に沿った平面リヒテンベルク図と絶縁材料内の 3D電気ツリーの研究は、高電圧機器の長期信頼性を向上させるための貴重な洞察をエンジニアに提供することがよくあります。リヒテンベルク図は現在、電気破壊時に固体、液体、および気体の表面または内部で発生することが知られています。

リヒテンベルク図形はフラクタル特性を示す自然現象です。

リヒテンベルク図形は、これを最初に発見し研究したドイツの物理学者ゲオルク・クリストフ・リヒテンベルクにちなんで名付けられました。これが最初に発見されたとき、その特徴的な形状は正と負の電気「流体」の性質を明らかにするのに役立つかもしれないと考えられました。

1777年、リヒテンベルクは誘導によって高電圧の静電気を発生させる大型の電気炉を製作した。絶縁体の表面に高電圧点を放電した後、表面にさまざまな粉末材料を散布して放射状のパターンを記録した。次に、これらのパターンに白紙を押し当てることで、リヒテンベルクはこれらの画像を転写して記録することができ、現代のゼログラフィーの基本原理を発見した。^[1]

この発見は、現代のプラズマ物理学の先駆けでもありました。リヒテンベルクは2次元（2D）図形のみを研究しましたが、現代の高電圧研究者は絶縁体上および絶縁体内部の2Dおよび3D図形（電気ツリー）を研究しています。

2次元（2D）リヒテンベルク図形は、樹脂、エボナイト、ガラスなどの非導電性プレートの表面に対して垂直に先の尖った針を置くことで作成できます。先端はプレートに非常に近いか接触するように配置します。ライデン瓶（コンデンサーの一種）や静電気発生器などの高電圧源を、通常はスパークギャップを介して針に印加します。これにより、プレートの表面に沿って突然の小さな放電が発生します。これにより、プレートの表面に電荷の孤立領域が堆積します。次に、硫黄と赤鉛（Pb ₃ O ₄または四酸化鉛）の粉末混合物をプレートに散布して、これらの帯電領域をテストします。^[2]

取り扱い中、粉末硫黄はわずかに負に帯電する傾向があり、赤鉛はわずかに正に帯電する傾向があります。負に帯電した硫黄はプレートの正に帯電した部分に引き寄せられ、正に帯電した赤鉛は負に帯電した部分に引き寄せられます。^{[引用が必要]}

これによって生成される色の分布に加えて、プレートに印加された電荷の極性に応じて、図形の形状にも顕著な違いが見られる。電荷領域が正の場合、プレート上には密集した核からなる広く広がったパッチが見られ、そこから枝があらゆる方向に放射状に広がる。負に帯電した領域はかなり小さく、枝がまったくない鋭い円形または扇形の境界を持つ。ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツは、マクスウェルの電磁波理論を証明する独創的な研究でリヒテンベルクのダスト図形を採用した。 ^[3]

プレートが、例えば誘導コイルから正電荷と負電荷の混合を受けると、負電荷に対応する大き​​な赤い中心核と、その周囲を正電荷に対応する黄色の線が取り囲む混合図が生じる。正電荷と負電荷の差は空気の存在に依存するようで、実験を真空中で行えば差は消える傾向がある。ピーター・T・リース（19世紀の研究者）は、プレートの負電荷化は、その点における破壊的放電に伴う爆発によって表面に沿って動かされる水蒸気などの摩擦によって引き起こされると理論づけた。この帯電は正電荷の拡散を促進するが、負電荷の拡散を妨げる。^[4]

現在では、電荷は、ガスと絶縁体表面の境界に沿って発生する小さな火花放電を通じて絶縁体表面に転送されることがわかっています。^[5]絶縁体に移動すると、これらの過剰電荷は一時的に取り残されます。結果として生じる電荷分布の形状は、火花放電の形状を反映し、火花放電の形状は、高電圧極性とガスの圧力に依存します。より高い印加電圧を使用すると、直径が大きく、分岐した図形が生成されます。現在では、正のリヒテンベルク図形は、空気中の長い火花がより簡単に形成され、正に帯電した高電圧端子から伝播するため、より長く分岐した構造を持つことがわかっています。この特性は、電力線上の雷サージの過渡電圧極性と大きさを測定するために使用されています。^[6]

絶縁表面が半導体材料で汚染されると、別のタイプの 2D リヒテンベルク図形が作成されることがあります。表面全体に高電圧が印加されると、漏れ電流によって局所的な加熱が発生し、下にある材料が徐々に劣化して焦げることがあります。時間が経つと、絶縁体の表面に電気ツリーと呼ばれる枝分かれした木のような炭化したパターンが形成されます。この劣化プロセスはトラッキングと呼ばれます。導電パスが最終的に絶縁スペースを橋渡しすると、絶縁材料が壊滅的な故障を起こします。一部のアーティストは、木材や段ボールの表面にわざと塩水を塗布し、表面全体に高電圧を印加して、表面に複雑な炭化した 2D リヒテンベルク図形を生成します。^[要出典]

リヒテンベルク図形に見られる分岐した自己相似パターンはフラクタル特性を示す。リヒテンベルク図形は固体、液体、さらには気体の誘電破壊の際によく発生する。その出現と成長は拡散律速凝集(DLA) と呼ばれるプロセスに関連していると思われる。電界と DLA を組み合わせた有用なマクロモデルは、1984 年にニーマイヤー、ピエトロネロ、ワイスマンによって開発され、誘電破壊モデル(DBM) として知られている。^[7]

空気とPMMAプラスチックの電気破壊のメカニズムは大きく異なりますが、分岐放電は関連していることが判明しています。自然雷の分岐形状もフラクタル特性を持っています。^[8]

リヒテンベルク図形は、フラクタル特性を示す自然現象の例です。これらや自然界に多く見られる他の樹木状構造の出現と進化は、コンストラクタル法則によってまとめられます。1996年にデューク大学のエイドリアン・ベジャン教授によって初めて発表されたコンストラクタル法則は、自然界には、その中を流れる電流の自由な動きを促進する構成（パターン、デザイン）を生み出す傾向があることをまとめた物理学の第一原理です。コンストラクタル法則は、この記事で説明した樹木状デザインが出現し、そこを流れる電流の動き（点から面へ）を促進するように進化すると予測しています。^[9]

リヒテンベルク図形は、落雷被害者の皮膚に現れるシダのような模様で、通常は24時間以内に消えます。^{[10]また、}ケラウノグラフィック模様としても知られています。^[11]

落雷は、落雷地点の周囲の草地に大きなリヒテンベルク図形を形成することもあります。これらはゴルフ場や草地で時々見られます。^[12]砂や土が電流の強烈な熱によってガラス質の管に溶けて、 枝分かれした根の形をした「フルグライト」鉱床が形成されることもあります。

電気トリーは、高電圧機器が完全に破壊される前によく発生します。事故後の絶縁不良の調査中に絶縁体内のこれらのリヒテンベルク図形を追跡すると、破壊の原因を突き止めるのに役立ちます。経験豊富な高電圧技術者は、ツリーとその枝の方向と形状から、絶縁が破壊され始めた場所を正確に把握し、その知識を使用して最初の原因も見つけ出すことができます。故障した変圧器、高電圧ケーブル、ブッシング、およびその他の機器は、この方法で調査すると便利です。絶縁体は巻き戻されるか (紙絶縁体の場合)、または薄くスライスされます (固体絶縁体の場合)。次に、結果をスケッチするか写真を撮って、破壊プロセスの記録を作成します。

現代のリヒテンベルク図形は、線形電子ビーム加速器（または線形加速器、粒子加速器の一種）からの高エネルギー電子ビームをアクリル（ポリメチルメタクリレートまたはPMMA ）やガラスなどの固体絶縁材料に注入することによっても作成できます。 ^{[13]線形加速器内では、電子が収束および加速されて高速粒子のビームを形成します。加速器から出てくる電子は最大25MeVのエネルギーを持ち、}光速（相対論的速度）のかなりの割合（95〜99％以上）で移動しています。

電子ビームを厚いアクリル試料に向けると、電子はアクリルの表面を容易に貫通し、プラスチック内部の分子と衝突して急速に減速し、最終的に試料の奥深くに留まります。アクリルは優れた電気絶縁体であるため、これらの電子は一時的に試料内に閉じ込められ、過剰な負電荷の面を形成します。照射が継続されると、閉じ込められた電荷の量が増加し、試料内部の実効電圧は数百万ボルトに達します。^[14]電気ストレスがプラスチックの誘電強度を超えると、絶縁破壊と呼ばれるプロセスで、一部の部分が突然導電性になります。

絶縁破壊の間、枝分かれした木やシダのような導電チャネルが急速に形成され、プラスチック中を伝播します。これにより、閉じ込められた電荷が突然、小さな稲妻のような閃光と衝撃とともに放出されます。帯電した試料の絶縁破壊は、プラスチックを先の尖った導電性の物体で突いて過剰な電圧ストレスの点を作ることで手動で引き起こすこともできます。放電の間、強力な電気火花が何千もの枝分かれした亀裂の連鎖を残し、試料内に永久的なリヒテンベルク図形を形成します。試料内の内部電荷は負ですが、放電は試料の正に帯電した外部表面から開始されるため、結果として生じる放電によって正のリヒテンベルク図形が形成されます。これらの物体は、電子ツリー、ビームツリー、または雷ツリーと呼ばれることもあります。

電子がアクリル内で急速に減速すると、強力なX線も発生します。残留電子とX線は、ソラリゼーションと呼ばれるプロセスで欠陥（色の中心）を導入してアクリルを暗くします。ソラリゼーションにより、アクリルの標本は最初はライムグリーン色になり、標本が放電されると琥珀色に変わります。色は通常、時間の経過とともに薄れていきますが、穏やかな加熱と酸素の組み合わせにより、退色プロセスが加速されます。^[15]

リヒテンベルク図形は木材にも作ることができます。木材の種類と木目模様は、作られるリヒテンベルク図形の形状に影響します。^[16]木材の表面に電解液を塗布すると、表面の抵抗が大幅に低下します。次に、木材に 2 つの電極を置き、高電圧を通します。電極からの電流により木材の表面が加熱され、電解質が沸騰して木材の表面が燃えます。焦げた木材の表面はわずかに導電性があるため、木材の表面は電極から外側に向かってパターンを描いて燃えます。このプロセスは危険であり、毎年感電死者が出ています。^[17]

ウィキメディア・コモンズには、リヒテンベルク図形に関連するメディアがあります。

• リヒテンベルク図形とは何ですか？また、どのように作成されますか？
• リヒテンベルクのフィギュア、ガラス、宝石
• 1927年ゼネラル・エレクトリック・レビュー誌のリヒテンベルク図に関する記事
• 誘電破壊モデル (DBM)
• ブロックの中に雷を閉じ込める。(Popular Science の DIY リヒテンベルク図)
• 3D アクリルのリヒテンベルク図。1 2 3 (表示するには QuickTime VR が必要です。)
• フルグライトの文献
• リヒテンベルクの木材燃焼 溶接機付き