Gray Matter: ブロックに雷を閉じ込める

オハイオ州ニュートンフォールズ周辺には、アーミッシュの馬車を繋ぐ柱のあるウォルマートや、丘の上にヘリコプターや戦車が誇らしげに並べられた陸軍基地など、珍しいものが数多くありますが、私がここに来たのは、その中でも最も珍しいもの、地元のダイナミトロンを見るためでした。凍った稲妻を作るためにここに来たのです。

ケント州立大学ネオビーム施設のダイナミトロンは、地上4階建ての高さ、500万ボルトの粒子加速器で、ブラウン管テレビによく似ていますが、もっと大きいです。(そう、ブラウン管テレビは家庭用粒子加速器です。) ダイナミトロンもテレビも、高電圧と磁石を使用して電子をターゲットにぶつけます。テレビの場合は蛍光スクリーンですが、このダイナミトロンの場合は、ビームで硬化するプラスチックの配管部品が通常です。しかし、私が引退した電気技師バート・ヒックマンと物理学者のビル・ハサウェイ、キム・ゴインズのチームに参加したとき、その成果はリヒテンベルク図形、つまり透明なアクリルのブロックに永久に記録された稲妻でした。

一日レンタルしたダイナミトロンを約300万ボルトに調整すると、厚さ半インチのアクリル板の半分ほどに電子が照射される。プラスチックは非常に優れた絶縁体なので、電子は中に閉じ込められる。機械から出てきたブロックは見た目は変わらないが、中には必死に逃げ出そうとする電子が巣のように群がっている。

放っておくと、電子は何時間も閉じ込められたままになりますが、先の尖ったもので叩くと、すぐに逃げ出す道が開きます。電子はブロックのあらゆる部分から集まり、出口に向かう途中でどんどん大きな電流の流れを形成します。電荷が離れるときに熱くなり、たどる分岐した道に沿ってプラスチックを損傷し、その経路の永久的な痕跡を残します。稲妻が発生する前のナノ秒で雷雲の内部を見ることができれば、同じようなパターンが見えるでしょう。稲妻は完全に形成された状態で突然現れるわけではなく、雲全体から電荷を集める必要があります。

コピー機やプリンターのトナー粉末と一般的な静電気源を使って、同様の、ただし永続性は低いリヒテンベルク図形を作成できます (下記参照)。これは、ドイツの科学者ゲオルク・クリストフ・リヒテンベルクが 18 世紀後半に初めて行った方法です (粉末硫黄を使用)。これは当時、電気の歴史における偉大な発見の 1 つでした。今日、この図形は放電について学ぶための優れた方法であり、非常に高価な機械で午後を過ごした後の素敵な記念品にもなります。

リヒテンベルク図を作る

1777 年にリヒテンベルク自身が行ったように、微細な塵からリヒテンベルク図を作成します。

1.鋭い金属の先端を絶縁材のシートの中央に接触するように置きます。(リヒテンベルクは樹液から作られた樹脂を使用しましたが、現在では透明アクリルが適しています。)

2.ウィムズハースト マシン (上図)、ヴァン デ グラフ ジェネレーター、または毛足の長いカーペットの上での激しい足踏みなどを使用して静電気を発生させ、指またはマシンの電極で金属の先端に触れて放電させます。これにより、プラスチック上に孤立した電荷のパターンが形成されます。リヒテンベルク図形はそこに存在しますが、見えません。

3.コピー機のトナーを表面に吹き付けます。トナーが静電気でくっつき、美しいリヒテンベルク図形が現れます。リヒテンベルクの発見は、最終的にコピー機やレーザー プリンターの発明につながり、文字や画像のパターンに電荷が置かれるようになりました。

このストーリーは更新されました。元々は、 Popular Science誌の 2008 年 3 月号に掲載されました。