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リヒテンベルク図形（ドイツ語: Lichtenberg-Figur）またはリヒテンベルクダスト図形は、絶縁材料の表面または内部に現れることがある枝分かれした放電です。リヒテンベルク図形は、高電圧部品や機器の漸進的な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形と絶縁材料内部の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知見をエンジニアに提供することがよくあります。リヒテンベルク図形は、電気的破壊の際に固体、液体、気体の表面または内部で発生することが現在では知られています。
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ある。
リヒテンベルク図形は、それら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。最初に発見されたとき、その特徴的な形状は、正負の電気的「流体」の性質を解明するのに役立つと考えられていました。
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装置を製作した。絶縁体の表面に高電圧を放電した後、様々な粉末状の物質を表面に振りかけることで、生じた放射状のパターンを記録した。そして、これらのパターンに白紙を押し付けることで、リヒテンベルクはこれらの画像を転写・記録することができ、それによって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ともなった。リヒテンベルクは二次元（2D）の図形のみを研究したが、現代の高電圧研究者は、絶縁材料の表面および内部における2Dおよび3Dの図形（電気樹）を研究している。
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板の表面に鋭利な針を垂直に置くことによって作成できます。針の先端は板のすぐ近く、または接触した状態になります。ライデン瓶(初期のタイプのコンデンサ) 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、板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、板の表面に電荷の残余領域が堆積します。これらの帯電領域は、硫黄と赤鉛 (Pb 3 O 4または四酸化鉛)の粉末の混合物を板に振りかけることによってテストされます。[ 2 ]
硫黄と赤鉛は摩擦帯電効果を示す。取り扱い中、粉末状の硫黄粒子は負に帯電する傾向がある。同様に、粉末状の赤鉛粒子は正に帯電する傾向がある。負に帯電した硫黄粒子は静電気によって引き寄せられ、プレートの正に帯電した領域に付着する一方、正に帯電した赤鉛粒子は負に帯電した領域に引き寄せられる。
それによって生じる色の分布に加えて、板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。帯電領域が正の場合、板上に広範囲に広がるパッチが見られ、それは密度の高い核からあらゆる方向に枝が放射状に伸びている。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、マックスウェルの電磁波理論を証明する彼の画期的な研究でリヒテンベルクの塵図形を利用した。 [ 3 ]
プレートが、例えば誘導コイルから正と負の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が、正電荷に対応する黄色の光線に囲まれた混合図が現れる。正と負の図の差は空気の存在に依存するようで、実験を真空中で行うと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、プレートの負の帯電は、破壊放電に伴う爆発によって表面に沿って移動した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。この帯電は正の放電の広がりを促進するが、負の放電の広がりを妨げる。[ 4 ]
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によって電荷が絶縁体表面に伝達されることが現在では知られています。[ 5 ]絶縁体に伝達されたこれらの過剰電荷は一時的に留まります。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ており、火花放電の形状は高電圧の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、より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正に帯電した高電圧端子からより容易に形成され、伝播するため、より長く分岐した構造を持つことが知られています。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、別の種類の2次元リヒテンベルク図形が生成されます。表面に高電圧を印加すると、漏洩電流によって局所的な加熱が生じ、下地の材料が徐々に劣化して炭化します。時間が経つにつれて、絶縁体の表面に枝分かれした樹木状の炭化パターンが形成され、これを電気樹と呼びます。この劣化プロセスはトラッキングと呼ばれます。導電経路が最終的に絶縁空間を橋渡しすると、絶縁材料は壊滅的な損傷を受けます。一部のアーティストは、木材や段ボールの表面を半導体電解液で湿らせ、表面に高電圧を印加してトラッキングを誘発し、表面に複雑な炭化による2次元フラクタル模様を作り出します。
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します。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中にしばしば発生します。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ようです。電場とDLAを組み合わせた有用な巨視的モデルは、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）として知られています。[ 7 ]
空気とPMMAプラスチックの電気的破壊メカニズムはかなり異なるが、分岐放電構造は関連していることが判明した。自然雷が取る分岐形状もフラクタル特性を持っている。[ 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。自然界に数多く存在するこれらの樹状構造の出現と進化は、構成法則によって要約されます。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構成法則は、自然界において、流れ込む電流の自由な移動を促進する構成（パターン、デザイン）を生成する傾向を要約した物理学の第一原理です。構成法則は、この記事で説明されている樹状デザインが、流れ込む電流の移動（点から面積への変換）を促進するために出現し、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24時間以内に消えます。[ 10 ]これらはケラウノグラフィック模様としても知られています。[ 11 ]
落雷によって、落雷地点周辺の草地に大きなリヒテンベルク図形が作られることもあります。これらはゴルフコースや草地で見られることがあります。[ 12 ]また、砂や土が強い電離電流によってガラス質の管に融合することで、 枝分かれした根のような形をした「フルグライト」鉱物堆積物も作られることがあります。これは、アーク放電を用いてカーボンナノチューブを製造する化学気相成長法でよく見られる現象です。
高電圧機器では、完全な絶縁破壊に至る前に、電気的な樹状構造（リヒテンベルク図形）が発生することがよくあります。絶縁破壊事故後の調査において、絶縁体内部のこれらのリヒテンベルク図形を追跡することは、絶縁破壊の原因究明に役立ちます。樹状構造とその枝の方向と形状から、経験豊富な高電圧技術者は、絶縁破壊が始まった正確な箇所を特定でき、その知識を利用して、初期原因も特定できる可能性があります。故障した変圧器、高電圧ケーブル、ブッシング、その他の機器は、この方法で調査すると効果的です。絶縁体は、（紙絶縁体の場合は）巻き戻され、（固体絶縁体の場合は）薄くスライスされます。その後、結果をスケッチまたは写真に撮って、絶縁破壊過程の記録を作成します。
現代のリヒテンベルク図形は、アクリル（ポリメチルメタクリレート、PMMA ）やガラスなどの固体絶縁材料に、 LINAC（またはLinac 、粒子加速器の一種）などの電子ビーム加速器からの高エネルギー電子ビームを注入することによっても作成できます。 [ 13 ] Linac内部では、電子が集束され加速されて高速粒子のビームが形成されます。加速器から放出される電子は、最大25 MeVのエネルギーを持ち、光速のかなりの割合（95～99%以上）（相対論的速度）で移動します。
厚いアクリル試料に電子ビームを照射すると、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で静止します。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、過剰な負電荷の平面を形成します。正の「鏡像」電荷は、蓄積される内部の負電荷に引き寄せられ、試料の外面に蓄積されます。照射を続けると、試料内部の実効電圧が数百万ボルトに達するまで、閉じ込められた電荷の量が蓄積されます。[ 14 ]電気的ストレスがプラスチックの絶縁耐力を超えると、誘電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。
絶縁破壊中、枝分かれした樹木やシダのような導電チャネルが急速に形成され、プラスチック全体に広がり、閉じ込められた電荷が突然、小さな稲妻のような閃光と爆発音とともに放出されます。帯電した試料の絶縁破壊は、尖った導電性の物体でプラスチックを突いて過大な電圧ストレス点を作ることで手動でも引き起こすことができます。放電中、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、試料内部に永久的なリヒテンベルク図形を形成します。試料内部の電荷は負ですが、放電は試料の正に帯電した外面から開始されるため、結果として生じる放電は正のリヒテンベルク図形を形成します。これらの物体は、電子樹、ビーム樹、または稲妻樹と呼ばれることがあります。
アクリル内部で電子が急速に減速すると、強力なX線も発生します。残留電子とX線は、ソーラリゼーションと呼ばれるプロセスで欠陥（発色中心）を導入することにより、アクリルを黒くします。ソーラリゼーションにより、アクリル試料は最初はライムグリーン色になり、その後、試料が放電されると琥珀色に変化します。色は通常、時間の経過とともに退色し、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成できます。木材の種類や木目模様によって、作成されるリヒテンベルク図形の形状が変わります。[ 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、2つの電極を木材に置き、高電圧を流します。電極からの電流によって木材の表面が加熱され、電解液が沸騰して木材の表面が燃えます。木材の炭化した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状に燃えます。木材にフラクタル燃焼を施すのは危険であり、毎年感電死が発生しています。[ 17 ]
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