דמות ליכטנברג

דמות ליכטנברג תלת־ממדית בגוש אקריליק. דמות תלת־ממדית זו בגודל 7x7x5 ס"מ נוצרה על ידי הקרנת אלומה לאורך מספר מישורים. הפוטנציאל הפנימי בתוך הדגימה לפני פריקתה מוערך ב-2.2 מיליון וולט. הדגימה מוארת מלמטה על ידי נוריות LED כחולות.

דמות ליכטנברג (בגרמנית: Lichtenberg-Figur) היא תבנית מסועפת הנוצרת בעקבות פריצה חשמלית המופיעה לעיתים על פני השטח או בחלק הפנימי של חומרים מבודדים. חקר דמויות ליכטנברג על פני השטח ובחלק הפנימי של חומרי בידוד מספק למהנדסים תובנות חשובות לשיפור האמינות ואורך החיים של ציוד מתח גבוה. כיום ידוע כי דמויות ליכטנברג מופיעות על פני או בתוך מוצקים, נוזלים וגזים במהלך פריצה חשמלית חזקה.

היסטוריה

דמויות ליכטנברג נקראות על שם הפיזיקאי הגרמני גאורג כריסטוף ליכטנברג , שגילה וחקר אותן במקור. כאשר הן התגלו לראשונה, חשבו שהצורות האופייניות שלהם עשויות לעזור לחשוף את טבעם של "נוזלים" חשמליים חיוביים ושליליים.

בשנת 1777 בנה ליכטנברג אלקטרופורוס גדול לייצור חשמל סטטי במתח גבוה. כאשר מתח חשמלי גבוה הגיע לפני השטח של מבודד, הוא יצר את הדפוסים הרדיאליים שהתקבלו על ידי פיזור אבקות שונות על פני השטח. על ידי לחיצה על גיליונות נייר על התבניות הללו, ליכטנברג הצליח ליצור את התמונות הללו, ובכך גילה את העיקרון הבסיסי של טכניקת הצילום היבשה (Xerography ).

תגלית זו בישרה גם את ראשיתו של המדע המודרני של פיזיקת הפלזמה. למרות שליכטנברג חקר רק דמויות דו-ממדיות (2D), חוקרים מודרניים במתח גבוה חוקרים דמויות דו-ממדיות ותלת-ממדיות (עצים חשמליים ) על פני השטח ובתוך גופים מבודדים.

יצירת דמויות ליכטנברג באופן מלאכותי

ניתן לייצר דמויות ליכטנברג דו-ממדיות (2D) על ידי הנחת מחט מחודדת בניצב לפני השטח של משטח לא מוליך, כגון שרף, אבוניט או זכוכית. הנקודה ממוקמת קרוב מאוד או במגע עם המשטח. המקור למתח גבוה יכול להיות צנצנת ליידן (סוג מוקדם של קבל) או מחולל חשמל סטטי. בין קצה המחט למשטח המבודד, ייווצר ניצוץ חשמלי שיוליך חלקיקי מטען אל פני השטח. על ידי פיזור תערובת של אבקה של גופרית ועופרת אדומה (Pb3O4 או טטרוקסיד עופרת) על המשטח, ניתן יהיה להבחין בתבנית ההתפרקות החשמלית שנוצרה.

בעת ההתפרקות החשמלית, חלקיקי אבקת הגופרית נוטים לרכוש מטען שלילי. באופן דומה, חלקיקי אבקת העופרת האדומה נוטים לרכוש מטען חיובי. חלקיקי הגופרית הטעונים שלילית נמשכים אלקטרוסטטית ונצמדים לאזורים הטעונים חיובית של המשטח, בעוד שחלקיקי העופרת האדומים הטעונים חיובית נמשכים לאזורים הטעונים שלילית.

בנוסף לחלוקת הצבעים המופקת בכך, יש גם הבדל ניכר בצורת הדמות, על פי קוטביות המטען החשמלי שעל פני המשטח. אם האזורים הטעונים היו חיוביים, נראה כתם נרחב על המשטח, המורכב מגרעין צפוף שממנו מקרינים ענפים לכל הכיוונים. אזורים טעונים שלילית קטנים בהרבה ויש להם גבול עגול חד או דמוי מניפה נטול ענפים. היינריך רודולף הרץ השתמש בדמויות ליכטנברג בעבודתו המכוננת להוכחת תיאוריות הגלים האלקטרומגנטיים של מקסוול.

כיום ידוע כי מטענים חשמליים מועברים אל פני המבודד באמצעות התפרקויות חשמליות קטנות המתרחשות לאורך הגבול בין משטח הגז למשטח המבודד. לאחר העברתם למבודד, המטענים העודפים הללו נתקעים באופן זמני. הצורות של התפלגות המטען המתקבלות משקפות את צורת התפרקות הניצוץ אשר, בתורן, תלויות בקוטביות המתח הגבוה ובלחץ הגז. שימוש במתח גבוה יותר ייצור דמויות בקוטר גדול יותר ומסועפות יותר.

סוג אחר של דמות ליכטנברג דו-ממדית יכול להיווצר כאשר משטח בידוד מזוהם בחומר מוליך למחצה. כאשר מתח גבוה מופעל על פני השטח, זרמי זליגה עלולים לגרום לחימום מקומי וחריכה של החומר. עם הזמן, דפוסים מפוחמים מסועפים דמויי עץ נוצרים על פני המבודד, הנקראים עצים חשמליים. אמנים המייצרים דמויות ליכטנברג, מרטיבים לרוב את פני העץ או הקרטון בתמיסה אלקטרוליטית מוליכה למחצה ולאחר מכן מפעילים מתח גבוה על פני השטח, ובכך יוצרים חריכה של מבנים פרקטליים דו-ממדיים מורכבים על פני השטח.

תכונות פרקטליות

הדפוסים המסתעפים שנצפו בדמויות ליכטנברג מציגים תכונות פרקטליות. דמויות ליכטנברג מתפתחות לעיתים קרובות במהלך פירוק דיאלקטרי של מוצקים, נוזלים ואפילו גזים. נראה כי הופעתם וצמיחתם קשורים לתהליך הנקרא צבירה מוגבלת דיפוזיה (DLA ). מודל מקרוסקופי שימושי המשלב שדה חשמלי עם DLA פותח על ידי נימאייר, פייטרונרו ווייסמן בשנת 1984, וידוע בשם מודל הפריצה הדיאלקטרית (DBM ).

היווצרות טבעית של דמויות ליכטנברג

דמויות ליכטנברג עשויות להופיע על עורם של קורבנות מכת ברק, ובדרך כלל הן נעלמות בתוך 24 שעות. הם ידועים גם בשם סימונים קרונוגרפיים.

מכת ברק יכולה גם ליצור דמות ליכטנברג גדולה בדשא המקיף את הנקודה שנפגעה. אלה נמצאים לפעמים במגרשי גולף או בכרי דשא. מרבצי מינרלים "פולגוריט" מסועפים בצורת שרך עשויים להיווצר גם כאשר חול ואדמה מתמזגים לצינורות זכוכית על ידי נחשול הזרם החשמלי המיינן החזק.

יצירת דמויות ליכטנברג בחומר מבודד

פריצה דיאלקטרית במתח גבוה יוצרת דפוס פרקטלי יפהפה בגוש פרספקס

ניתן ליצור דמויות ליכטנברג מודרניות גם בתוך חומרי בידוד מוצקים, כגון אקריליק (פולימתיל מתאקרילט, או PMMA) או זכוכית על ידי הזרקת קרן אלקטרונים באנרגיה גבוהה ממאיץ אלומת אלקטרונים.

יצירת דמויות ליכטנברג בעץ

ניתן לייצר דמויות ליכטנברג גם על עץ. סוג העץ משפיע על צורת דמות ליכטנברג המיוצרת. על ידי מריחת שכבה של תמיסה אלקטרוליטית על פני העץ, עמידות המשטח יורדת במידה ניכרת. לאחר מכן מניחים שתי אלקטרודות על העץ ומועבר בהן מתח גבוה. הזרם מהאלקטרודות יגרום להתחממות פני העץ עד שהאלקטרוליט ירתח ומשטח העץ יישרף. מכיוון שהמשטח החרוך של העץ מוליך קלות, פני העץ יישרפו בתבנית החוצה מהאלקטרודות.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא דמות ליכטנברג בוויקישיתוף

• מהן דמויות ליכטנברג?, באתר אנציקלופדיה אאוריקה
• ערגה שילוני, ‏נפלאות המדע: הקעקוע המושקע הזה נוצר ממכת ברק, באתר ‏מאקו‏, 11 ביוני 2014
• Making Lightning Fractals - Lichtenberg Figure Wood Burning, סרטון באתר יוטיוב
• מהפנט: יצירות מופת בחתיכות עץ שחושמלו, באתר כיכר השבת, 13 בדצמבר 2016
• Make a Lichtenberg Figure the Easy Way, Science Notes and Projects, ‏28 בינואר 2017 (באנגלית)
• What are Lichtenberg figures, and how do we make them?, באתר Captured lightning (באנגלית)