Figura de Lichtenberg

Una figura de Lichtenberg ( en alemán : Lichtenberg-Figur ), o figura de polvo de Lichtenberg , es una descarga eléctrica ramificada que a veces aparece en la superficie o en el interior de materiales aislantes . Las figuras de Lichtenberg suelen asociarse con el deterioro progresivo de componentes y equipos de alta tensión. El estudio de las figuras de Lichtenberg planas a lo largo de superficies aislantes y de los árboles eléctricos tridimensionales dentro de los materiales aislantes suele proporcionar a los ingenieros información valiosa para mejorar la fiabilidad a largo plazo de los equipos de alta tensión. Actualmente se sabe que las figuras de Lichtenberg se producen en o dentro de sólidos, líquidos y gases durante una ruptura dieléctrica .

Las figuras de Lichtenberg son fenómenos naturales que exhiben propiedades fractales .

Las figuras de Lichtenberg reciben su nombre del físico alemán Georg Christoph Lichtenberg , quien las descubrió y estudió originalmente. Cuando se descubrieron, se pensó que sus formas características podrían ayudar a revelar la naturaleza de los "fluidos" eléctricos positivos y negativos.

En 1777, Lichtenberg construyó un gran electróforo para generar electricidad estática de alto voltaje por inducción . Tras descargar un punto de alto voltaje sobre la superficie de un aislante, registró los patrones radiales resultantes esparciendo diversos materiales en polvo sobre la superficie. Al presionar hojas de papel en blanco sobre estos patrones, Lichtenberg pudo transferir y registrar estas imágenes, descubriendo así el principio básico de la xerografía moderna . ^{[ 1 ]}

Este descubrimiento fue también el precursor de la ciencia moderna de la física del plasma . Si bien Lichtenberg solo estudió figuras bidimensionales (2D), los investigadores modernos de alto voltaje estudian figuras 2D y 3D ( árboles eléctricos ) sobre y dentro de materiales aislantes.

Las figuras de Lichtenberg bidimensionales (2D) se pueden producir colocando una aguja puntiaguda perpendicular a la superficie de una placa no conductora, como una de resina , ebonita o vidrio . La punta se coloca muy cerca de la placa o en contacto con ella. Se aplica a la aguja una fuente de alto voltaje, como una botella de Leyden (un tipo primitivo de condensador ) o un generador de electricidad estática , generalmente a través de un espacio de chispa . Esto crea una pequeña descarga eléctrica repentina a lo largo de la superficie de la placa, depositando áreas de carga dispersas sobre ella . Estas áreas electrificadas se prueban esparciendo sobre la placa una mezcla de flores de azufre en polvo y minio (Pb₃O₄ _o tetróxido de plomo ₎ . ^{[ 2 ]}

El azufre y el minio presentan el efecto triboeléctrico . Durante su manipulación, las partículas de azufre en polvo tienden a adquirir una carga negativa. De manera similar, las partículas de minio en polvo tienden a adquirir una carga positiva. Las partículas de azufre con carga negativa se atraen electrostáticamente y se adhieren a las zonas electrificadas positivamente de la placa, mientras que las partículas de minio con carga positiva se atraen a las zonas electrificadas negativamente.

Además de la distribución de colores resultante, también existe una marcada diferencia en la forma de la figura, según la polaridad de la carga eléctrica aplicada a la placa. Si las áreas cargadas eran positivas, se observa en la placa una amplia zona, formada por un núcleo denso del que se ramifican líneas en todas direcciones. Las áreas cargadas negativamente son considerablemente más pequeñas y presentan un límite circular o en forma de abanico bien definido, completamente desprovisto de ramificaciones. Heinrich Rudolf Hertz empleó figuras de polvo de Lichtenberg en su obra fundamental que demostraba las teorías de ondas electromagnéticas de Maxwell . ^{[ 3 ]}

Si la placa recibe una mezcla de cargas positivas y negativas, como por ejemplo, de una bobina de inducción , se obtiene una figura mixta, consistente en un gran núcleo central rojo, correspondiente a la carga negativa, rodeado de rayos amarillos, correspondientes a la carga positiva. La diferencia entre las figuras positivas y negativas parece depender de la presencia de aire , ya que tiende a desaparecer cuando el experimento se realiza en el vacío . Peter T. Riess (un investigador del siglo XIX) teorizó que la electrificación negativa de la placa era causada por la fricción del vapor de agua, etc., impulsado a lo largo de la superficie por la explosión que acompaña a la descarga disruptiva en el punto. Esta electrificación favorecería la propagación de una descarga positiva, pero dificultaría la de una negativa. ^{[ 4 ]}

Ahora se sabe que las cargas eléctricas se transfieren a la superficie del aislante mediante pequeñas descargas de chispa que ocurren a lo largo del límite entre el gas y la superficie del aislante. ^{[ 5 ]} Una vez transferidas al aislante, estas cargas excedentes quedan temporalmente retenidas. Las formas de las distribuciones de carga resultantes reflejan la forma de las descargas de chispa que, a su vez, dependen de la polaridad del alto voltaje y la presión del gas. El uso de un voltaje aplicado más alto generará figuras de mayor diámetro y más ramificadas. Ahora se sabe que las figuras de Lichtenberg positivas tienen estructuras más largas y ramificadas porque las chispas largas en el aire pueden formarse y propagarse más fácilmente desde terminales de alto voltaje cargados positivamente. Esta propiedad se ha utilizado para medir la polaridad del voltaje transitorio y la magnitud de las sobretensiones de rayos en las líneas eléctricas. ^{[ 6 ]}

Otro tipo de figura de Lichtenberg en 2D se puede crear cuando una superficie aislante se contamina con material semiconductor. Al aplicar un alto voltaje a través de la superficie, las corrientes de fuga pueden causar calentamiento localizado y degradación progresiva y carbonización del material subyacente. Con el tiempo, se forman patrones carbonizados ramificados, similares a árboles, sobre la superficie del aislante, llamados árboles eléctricos . Este proceso de degradación se denomina seguimiento . Si las trayectorias conductoras terminan uniendo el espacio aislante, el resultado es una falla catastrófica del material aislante. Algunos artistas humedecen la superficie de madera o cartón con una solución electrolítica semiconductora y luego aplican un alto voltaje a través de la superficie para inducir el seguimiento, creando así complejos fractales carbonizados en 2D que se queman en la superficie.

Las figuras de Lichtenberg son patrones similares a helechos que pueden aparecer en la piel de las víctimas de un rayo y que generalmente desaparecen en 24 horas. ^{[ 10 ]} También se conocen como marcas queraunográficas . ^{[ 11 ]}

Un rayo también puede crear una gran figura de Lichtenberg en el césped que rodea el punto alcanzado. Estas se encuentran a veces en campos de golf o en prados. ^{[ 12 ]} También se pueden crear depósitos minerales de " fulgurita " ramificados en forma de raíz cuando la arena y el suelo se fusionan en tubos vítreos por la intensa corriente eléctrica ionizante, un efecto que se observa a menudo en la deposición química de vapor cuando se utiliza una descarga de arco para producir nanotubos de carbono .

La formación de árboles eléctricos suele ocurrir en equipos de alta tensión antes de provocar una avería completa. El seguimiento de estas figuras de Lichtenberg dentro del aislamiento durante la investigación posterior a un accidente por una falla de aislamiento puede ser útil para encontrar la causa de la avería. A partir de la dirección y la forma de los árboles y sus ramas, un ingeniero de alta tensión experimentado puede ver exactamente el punto donde el aislamiento comenzó a deteriorarse y, con ese conocimiento, posiblemente también encontrar la causa inicial. Los transformadores, cables de alta tensión, bujes y otros equipos averiados pueden investigarse de esta manera. El aislamiento se desenrolla (en el caso de aislamiento de papel) o se corta en láminas delgadas (en el caso de materiales aislantes sólidos). Los resultados se dibujan o fotografían para crear un registro del proceso de deterioro.

Las figuras modernas de Lichtenberg también se pueden crear dentro de materiales aislantes sólidos, como el acrílico (polimetilmetacrilato o PMMA ) o el vidrio, inyectándoles un haz de electrones de alta energía proveniente de un acelerador de electrones, como un LINAC (o Linac , un tipo de acelerador de partículas ). ^{[ 13 ]} Dentro del Linac, los electrones se enfocan y aceleran para formar un haz de partículas de alta velocidad. Los electrones que emergen del acelerador pueden tener energías de hasta 25  MeV y se mueven a una fracción apreciable (95 – 99+ por ciento) de la velocidad de la luz ( velocidades relativistas ).

Si el haz de electrones se dirige hacia una muestra gruesa de acrílico, los electrones penetran fácilmente la superficie del acrílico, desacelerándose rápidamente al chocar con las moléculas dentro del plástico, hasta detenerse finalmente en el interior de la muestra. Dado que el acrílico es un excelente aislante eléctrico, estos electrones quedan atrapados temporalmente dentro de la muestra, formando un plano de exceso de carga negativa. Las cargas positivas "espejo" son atraídas por la carga negativa interna en aumento, acumulándose en las superficies externas de la muestra. Bajo irradiación continua, la cantidad de carga atrapada aumenta hasta que el voltaje efectivo dentro de la muestra alcanza millones de voltios. ^{[ 14 ]} Una vez que la tensión eléctrica supera la rigidez dieléctrica del plástico, algunas partes se vuelven repentinamente conductoras en un proceso llamado ruptura dieléctrica .

Durante la ruptura, se forman y propagan rápidamente canales conductores ramificados, similares a árboles o helechos, a través del plástico, permitiendo que la carga atrapada salga repentinamente en un destello y explosión similares a un rayo en miniatura . La ruptura de una muestra cargada también puede ser provocada manualmente al perforar el plástico con un objeto conductor puntiagudo para crear un punto de tensión excesiva. Durante la descarga, las potentes chispas eléctricas dejan miles de cadenas ramificadas de fracturas, creando una figura de Lichtenberg permanente dentro de la muestra. Aunque la carga interna dentro de la muestra es negativa, la descarga se inicia desde las superficies exteriores cargadas positivamente de la muestra, de modo que la descarga resultante crea una figura de Lichtenberg positiva. Estos objetos a veces se denominan árboles de electrones , árboles de haces o árboles de rayos .

A medida que los electrones se desaceleran rápidamente dentro del acrílico, también generan potentes rayos X. Los electrones y rayos X residuales oscurecen el acrílico al introducir defectos (centros de color) en un proceso llamado solarización . La solarización inicialmente da a las muestras de acrílico un color verde lima, que luego cambia a un color ámbar después de que la muestra se haya descargado. El color generalmente se desvanece con el tiempo, y un calentamiento suave, combinado con oxígeno, acelera el proceso de desvanecimiento. ^{[ 15 ]}

Las figuras de Lichtenberg también se pueden producir en madera. El tipo de madera y el patrón de la veta afectan la forma de la figura de Lichtenberg resultante. ^{[ 16 ]} Al aplicar una capa de solución electrolítica a la superficie de la madera, la resistencia de la superficie disminuye considerablemente. Luego se colocan dos electrodos sobre la madera y se les aplica un alto voltaje. La corriente de los electrodos calienta la superficie de la madera hasta que el electrolito hierve y la superficie de la madera se quema. Debido a que la superficie carbonizada de la madera es ligeramente conductora, la superficie de la madera se quema en un patrón que se extiende desde los electrodos hacia afuera. Aplicar la quema fractal a la madera puede ser peligroso; causa muertes por electrocución cada año . ^{[ 17 ]}

• ¿Qué son las figuras de Lichtenberg y cómo se crean?
• Figuras de Lichtenberg, vidrio y piedras preciosas.
• Artículo de la revista General Electric Review de 1927 sobre las figuras de Lichtenberg.
• Modelo de Ruptura Dieléctrica (DBM)
• Atrapa un rayo en un bloque . (Figura de Lichtenberg casera en Popular Science)
• Obras de Lichtenberg en acrílico en 3D. 1 2 3 (Requiere QuickTime VR para visualizarlas).
• Bibliografía de Fulguritas
• Grabado en madera de Lichtenberg con soldadora. Archivado el 28/06/2022 en Wayback Machine.