شكل ليشتنبرغ

شكل ليشتنبرغ ( بالألمانية : Lichtenberg -Figur )، أو شكل غبار ليشتنبرغ ، هو تفريغ كهربائي متفرع يظهر أحيانًا على سطح أو داخل المواد العازلة . غالبًا ما يرتبط شكل ليشتنبرغ بالتدهور التدريجي للمكونات والمعدات ذات الجهد العالي. توفر دراسة أشكال ليشتنبرغ المستوية على طول الأسطح العازلة والأشجار الكهربائية ثلاثية الأبعاد داخل المواد العازلة للمهندسين رؤى قيّمة لتحسين موثوقية المعدات ذات الجهد العالي على المدى الطويل. من المعروف الآن أن أشكال ليشتنبرغ تحدث على أو داخل المواد الصلبة والسائلة والغازية أثناء الانهيار الكهربائي .

أشكال ليشتنبرغ هي ظواهر طبيعية تُظهر خصائص كسورية .

سُميت أشكال ليشتنبرغ نسبةً إلى الفيزيائي الألماني جورج كريستوف ليشتنبرغ ، الذي اكتشفها ودرسها في الأصل. عند اكتشافها لأول مرة، كان يُعتقد أن أشكالها المميزة قد تساعد في الكشف عن طبيعة "السوائل" الكهربائية الموجبة والسالبة.

في عام 1777، بنى ليشتنبرغ جهازًا كبيرًا لتوليد الكهرباء الساكنة عالية الجهد عن طريق الحث . بعد تفريغ نقطة عالية الجهد على سطح عازل، سجل الأنماط الشعاعية الناتجة برش مواد مسحوقة مختلفة على السطح. ثم ضغط أوراق بيضاء على هذه الأنماط، فتمكن ليشتنبرغ من نقل هذه الصور وتسجيلها، مكتشفًا بذلك المبدأ الأساسي للتصوير الجاف الحديث . ^{[ 1 ]}

كان هذا الاكتشاف بمثابة مقدمة لعلم فيزياء البلازما الحديث . على الرغم من أن ليشتنبرغ لم يدرس سوى الأشكال ثنائية الأبعاد، فإن باحثي الجهد العالي المعاصرين يدرسون الأشكال ثنائية وثلاثية الأبعاد ( الأشجار الكهربائية ) على المواد العازلة وداخلها.

يمكن إنتاج أشكال ليشتنبرغ ثنائية الأبعاد (2D) بوضع إبرة مدببة عمودية على سطح صفيحة غير موصلة، مثل صفيحة من الراتنج أو الإيبونيت أو الزجاج . توضع الإبرة بالقرب من الصفيحة أو تلامسها. يُطبَّق مصدر جهد عالٍ، مثل مكثف ليدن (نوع قديم من المكثفات ) أو مولد كهرباء ساكنة ، على الإبرة، عادةً من خلال فجوة شرارة . يُحدث هذا تفريغًا كهربائيًا صغيرًا ومفاجئًا على سطح الصفيحة، مما يُرسب شحنات كهربائية على سطحها. تُختبر هذه المناطق المشحونة برش خليط من مسحوق أزهار الكبريت وأكسيد الرصاص الأحمر (Pb₃O₄ أو _رباعي أكسيد _الرصاص ) على الصفيحة. ^{[ 2 ]}

يُظهر الكبريت والرصاص الأحمر التأثير الكهروستاتيكي . أثناء التعامل معهما، تميل جزيئات مسحوق الكبريت إلى اكتساب شحنة سالبة، بينما تميل جزيئات مسحوق الرصاص الأحمر إلى اكتساب شحنة موجبة. تنجذب جزيئات الكبريت سالبة الشحنة كهربائيًا وتلتصق بالمناطق الموجبة الشحنة من الصفيحة، في حين تنجذب جزيئات الرصاص الأحمر موجبة الشحنة إلى المناطق السالبة الشحنة.

إضافةً إلى توزيع الألوان الناتج، ثمة اختلاف ملحوظ في شكل الشكل، تبعًا لقطبية الشحنة الكهربائية المطبقة على الصفيحة. فإذا كانت المناطق المشحونة موجبة، تظهر بقعة واسعة على الصفيحة، تتكون من نواة كثيفة تتفرع منها فروع في جميع الاتجاهات. أما المناطق المشحونة سالبًا فهي أصغر بكثير، ولها حدود دائرية حادة أو مروحية الشكل خالية تمامًا من الفروع. وقد استخدم هاينريش رودولف هيرتز أشكال غبار ليشتنبرغ في عمله الرائد لإثبات نظريات ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية. ^{[ 3 ]}

إذا تلقت الصفيحة مزيجًا من الشحنات الموجبة والسالبة، كما هو الحال عند استخدام ملف حثي ، ينتج شكل مختلط يتكون من نواة مركزية حمراء كبيرة، تمثل الشحنة السالبة، محاطة بأشعة صفراء، تمثل الشحنة الموجبة. ويبدو أن الفرق بين الأشكال الموجبة والسالبة يعتمد على وجود الهواء ، إذ يميل هذا الفرق إلى التلاشي عند إجراء التجربة في فراغ . وقد افترض بيتر تي. ريس (باحث من القرن التاسع عشر) أن الشحنة السالبة للصفيحة ناتجة عن احتكاك بخار الماء، وغيره، الذي يندفع على طول السطح بفعل الانفجار المصاحب للتفريغ الكهربائي عند تلك النقطة. ومن شأن هذه الشحنة أن تُسهّل انتشار الشحنة الموجبة، بينما تُعيق انتشار الشحنة السالبة. ^{[ 4 ]}

من المعروف الآن أن الشحنات الكهربائية تنتقل إلى سطح العازل عبر شرارات كهربائية صغيرة تحدث على طول الحد الفاصل بين الغاز وسطح العازل. ^{[ 5 ]} وبمجرد انتقالها إلى العازل، تصبح هذه الشحنات الزائدة عالقة مؤقتًا. وتعكس أشكال توزيعات الشحنات الناتجة شكل الشرارات الكهربائية، والتي بدورها تعتمد على قطبية الجهد العالي وضغط الغاز. ويؤدي استخدام جهد كهربائي أعلى إلى توليد أشكال ذات قطر أكبر وتفرعات أكثر. ومن المعروف الآن أن أشكال ليشتنبرغ الموجبة لها هياكل أطول وأكثر تفرعًا لأن الشرارات الطويلة داخل الهواء يمكن أن تتشكل وتنتشر بسهولة أكبر من أطراف الجهد العالي المشحونة إيجابيًا. وقد استُخدمت هذه الخاصية لقياس قطبية الجهد العابر وشدة ارتفاعات البرق على خطوط نقل الطاقة الكهربائية. ^{[ 6 ]}

يمكن إنشاء نوع آخر من أشكال ليشتنبرغ ثنائية الأبعاد عندما يتلوث سطح عازل بمادة شبه موصلة. عند تطبيق جهد عالٍ على السطح، قد تتسبب تيارات التسرب في تسخين موضعي وتدهور تدريجي وتفحم للمادة الأساسية. بمرور الوقت، تتشكل أنماط متفرعة تشبه الأشجار متفحمة على سطح العازل، تُسمى الأشجار الكهربائية . تُعرف عملية التدهور هذه باسم التتبع . إذا امتدت المسارات الموصلة في النهاية عبر الفراغ العازل، فإن النتيجة هي فشل كارثي للمادة العازلة. يقوم بعض الفنانين بترطيب سطح الخشب أو الورق المقوى بمحلول إلكتروليتي شبه موصل ، ثم يطبقون جهدًا عاليًا على السطح لتحفيز التتبع، مما يؤدي إلى إنشاء احتراق فركتالي ثنائي الأبعاد معقد على السطح.

تُعرف أشكال ليشتنبرغ بأنها أنماط تشبه السرخس قد تظهر على جلد ضحايا الصواعق وتختفي عادةً خلال 24 ساعة. ^{[ 10 ]} وتُعرف أيضاً باسم علامات كيراونوغرافية . ^{[ 11 ]}

يمكن أن تُشكّل ضربة البرق أيضًا شكلًا كبيرًا من أشكال ليشتنبرغ في العشب المحيط بنقطة الضربة. وتُشاهد هذه الأشكال أحيانًا في ملاعب الغولف أو في المروج العشبية. ^{[ 12 ]} كما قد تتشكل رواسب معدنية متفرعة على شكل جذور تُعرف باسم " الفولغوريت " نتيجة اندماج الرمل والتربة في أنابيب زجاجية بفعل التيار الكهربائي المؤين الشديد، وهو تأثير يُلاحظ غالبًا في الترسيب الكيميائي للبخار عند استخدام التفريغ القوسي لإنتاج أنابيب الكربون النانوية .

غالباً ما يحدث التفرع الكهربائي في معدات الجهد العالي قبل حدوث العطل الكامل. ويمكن أن يكون تتبع أشكال ليشتنبرغ داخل العازل أثناء التحقيق في عطل العزل بعد وقوع الحادث مفيداً في تحديد سبب العطل. فمن خلال اتجاه وشكل التفرعات وفروعها، يستطيع مهندس الجهد العالي ذو الخبرة تحديد النقطة التي بدأ عندها تدهور العازل بدقة، وباستخدام هذه المعرفة، يمكنه أيضاً تحديد السبب الأولي. ويمكن فحص المحولات المعطلة، وكابلات الجهد العالي، والبطانات، وغيرها من المعدات بهذه الطريقة. يُفرد العازل (في حالة العازل الورقي) أو يُقطع إلى شرائح رقيقة (في حالة مواد العزل الصلبة). ثم تُرسم النتائج أو تُصور لتوثيق عملية العطل.

يمكن أيضًا إنشاء أشكال ليشتنبرغ الحديثة داخل مواد عازلة صلبة، مثل الأكريليك (بولي ميثيل ميثاكريلات، أو PMMA ) أو الزجاج ، عن طريق حقنها بحزمة من الإلكترونات عالية الطاقة من مُسرِّع حزم الإلكترونات، مثل مُسرِّع الجسيمات الخطي (LINAC ). ^{[ 13 ]} داخل مُسرِّع الجسيمات الخطي، تُركَّز الإلكترونات وتُسرَّع لتشكيل حزمة من الجسيمات عالية السرعة. يمكن أن تصل طاقة الإلكترونات الخارجة من المُسرِّع إلى 25 ميغا إلكترون فولت، وتتحرك بسرعة تُقدَّر بنسبة كبيرة (95-99% فأكثر) من سرعة الضوء ( سرعات نسبية ). 

إذا وُجِّه شعاع الإلكترونات نحو عينة أكريليك سميكة، فإن الإلكترونات تخترق سطح الأكريليك بسهولة، ثم تتباطأ بسرعة عند اصطدامها بجزيئات داخل البلاستيك، لتستقر في النهاية في عمق العينة. ولأن الأكريليك عازل كهربائي ممتاز، فإن هذه الإلكترونات تُحاصر مؤقتًا داخل العينة، مُشكِّلةً طبقة من الشحنة السالبة الزائدة. وتنجذب الشحنات الموجبة "المُعاكسة" إلى الشحنة السالبة الداخلية المتراكمة، فتتراكم على الأسطح الخارجية للعينة. ومع استمرار الإشعاع، تتراكم كمية الشحنة المحاصرة حتى يصل الجهد الفعال داخل العينة إلى ملايين الفولتات. ^{[ 14 ]} وبمجرد أن يتجاوز الإجهاد الكهربائي قوة العزل الكهربائي للبلاستيك، تُصبح بعض أجزائه موصلة للكهرباء فجأة في عملية تُسمى الانهيار العازل .

أثناء الانهيار، تتشكل قنوات موصلة متفرعة تشبه الأشجار أو السرخس بسرعة وتنتشر عبر البلاستيك، مما يسمح للشحنة المحتجزة بالاندفاع فجأة في ومضة وضربة تشبه البرق المصغر . يمكن أيضًا تحفيز انهيار العينة المشحونة يدويًا عن طريق وخز البلاستيك بجسم موصل مدبب لإنشاء نقطة إجهاد جهد زائد. أثناء التفريغ، تترك الشرارات الكهربائية القوية آلاف السلاسل المتفرعة من الشقوق، مما يخلق شكل ليشتنبرغ دائمًا داخل العينة. على الرغم من أن الشحنة الداخلية داخل العينة سالبة، إلا أن التفريغ يبدأ من الأسطح الخارجية المشحونة إيجابيًا للعينة، بحيث يُنشئ التفريغ الناتج شكل ليشتنبرغ موجبًا. تُسمى هذه الأجسام أحيانًا بأشجار الإلكترونات أو أشجار الشعاع أو أشجار البرق .

مع تباطؤ الإلكترونات بسرعة داخل الأكريليك، فإنها تولد أيضًا أشعة سينية قوية . وتؤدي الإلكترونات والأشعة السينية المتبقية إلى تغميق لون الأكريليك عن طريق إحداث عيوب (مراكز لونية) في عملية تُسمى التشميس . في البداية، يحوّل التشميس عينات الأكريليك إلى اللون الأخضر الليموني، ثم يتحول إلى اللون الكهرماني بعد تفريغ العينة من الشحنة. وعادةً ما يتلاشى اللون بمرور الوقت، ويُسرّع التسخين اللطيف، مع الأكسجين، عملية التلاشي. ^{[ 15 ]}

يمكن أيضًا إنتاج أشكال ليشتنبرغ على الخشب. يؤثر نوع الخشب ونمط أليافه على شكل الشكل الناتج. ^{[ 16 ]} عند وضع طبقة من محلول إلكتروليتي على سطح الخشب، تنخفض مقاومته بشكل ملحوظ. ثم يوضع قطبان كهربائيان على الخشب ويُمرر بينهما جهد كهربائي عالٍ. يؤدي مرور التيار الكهربائي من القطبين إلى تسخين سطح الخشب حتى يغلي المحلول الإلكتروليتي ويحترق سطح الخشب. ولأن سطح الخشب المتفحم موصل جيد للكهرباء، فإن احتراقه يتجه نحو الخارج من القطبين. يُعدّ تطبيق الحرق الفركتلي على الخشب خطيرًا؛ إذ يتسبب في وفيات سنويًا نتيجة الصعق بالكهرباء . ^{[ 17 ]}

• ما هي أشكال ليشتنبرغ وكيف يتم إنشاؤها؟
• شخصيات ليشتنبرغ والزجاج والأحجار الكريمة
• مقال في مجلة جنرال إلكتريك ريفيو عام 1927 حول أشكال ليشتنبرغ
• نموذج الانهيار العازل (DBM)
• حصر البرق في كتلة . (اصنع بنفسك مجسم ليشتنبرغ في موقع Popular Science)
• أعمال ليشتنبرغ ثلاثية الأبعاد مصنوعة من الأكريليك. 1 2 3 (يتطلب برنامج QuickTime VR للعرض).
• قائمة مراجع الفولجوريتس
• حرق الخشب بواسطة ليشتنبرغ باستخدام لحام ( مؤرشف بتاريخ ٢٨ يونيو ٢٠٢٢ في أرشيف الإنترنت)