Comment enregistrer des décharges électriques avec un appareil photo numérique

L'enregistrement des motifs réalisés par l'électricité statique remonte à l'invention de la technique en 1777 par Georg Lichtenberg. Comme il fut le premier à observer ces motifs, on les appelle figures de Lichtenberg.

J’ai commencé à m’essayer à l’enregistrement d’étincelles lorsque j’ai remarqué d’intrigantes décharges statiques enregistrées sur de vieux films radiographiques. Je savais que ces motifs étaient parfois capturés sur film à cause de l'électricité statique, mais je n'avais aucune idée qu'ils avaient une histoire aussi riche et jouaient un rôle important dans la compréhension de l'électricité. En 2008, j’avais mené des expériences prometteuses avec des films radiographiques. En 2018, j'ai enfin trouvé le temps d'écrire un court article.

À l'automne 2018, alors que j'assistais à une conférence en Hollande, j'ai eu l'occasion de visiter le musée Teyler. Au cours d'une visite, j'ai découvert l'apport significatif du musée à l'étude des modèles d'étincelles électriques, grâce à l'installation d'une machine électrostatique géante en décembre 1784. J'ai été impressionné par l'immense générateur électrostatique, culminant à plus de deux mètres de hauteur. Dans un coin de la pièce, j'ai remarqué des gravures originales sur cuivre présentant des motifs de Lichtenberg créés par le brai fondu de la machine électrostatique géante. J'ai pris note mentalement de revoir mon projet d'enregistrement de modèles électriques à l'aide d'un film et d'un appareil photo numérique.

Les chiffres de Lichtenberg sont créés en quelques milliardièmes de seconde (nanosecondes) lorsque l'air ou un plastique subit un claquage diélectrique qui permet à une haute tension de traverser un matériau. Ce processus est souhaité pour faire fonctionner un flash photographique à grande vitesse à entrefer. La compréhension de ce processus permet de déclencher des éclairs d'entrefer ultra-rapides. Ces types de flashs sont utilisés pour des applications à grande vitesse comme la capture d'une balle en vol.

La création d'une figure de Lichtenberg se produit lorsqu'une impulsion haute tension est en contact avec un matériau. Le plus souvent, le matériau en contact avec l’impulsion haute tension est un isolant dans les conditions ambiantes. Si la distance entre la haute tension et la terre est suffisamment courte, l’électricité ionisera l’air et le transformera en un plasma conducteur. Le plasma conducteur permettra à l’électricité de voyager.

À mesure que l’électricité circule dans l’air, l’air continue de se réchauffer. Trop d’électricité et l’air deviendra si chaud qu’il se dilatera plus vite que la vitesse du son et produira un bruit fort. C’est le processus par lequel la foudre crée le tonnerre, mais à plus grande échelle. Les images ici sont des enregistrements de l'air chauffé (plasma) émettant de la lumière. La lumière peut provenir de l’air seul ou d’une surface composée d’air. Les effets de surface des différents matériaux produisent des figures de Lichtenberg de formes différentes et de couleurs différentes. Les chiffres dépendent de la conduction, de la capacité du matériau, de l’intensité du champ électrique et de plusieurs autres facteurs :

Dans les circuits électriques conventionnels, la charge passe du potentiel positif au potentiel négatif d’un circuit. Cette notation est un vestige des jours précédant la découverte de l’électron. Nous savons désormais que l’électron est la charge mobile et qu’il est responsable du flux d’énergie. En réalité, l’étincelle positive haute tension crée un drain pour les électrons du film. Les électrons circulent ensemble aussi vite que possible. Il s’avère que le flux d’électrons et la décharge corona qui en résulte sont incroyablement rapides et formeront un motif de Lichtenberg en centaines de nanosecondes.

Les décharges d'étincelles positives sont différentes des décharges d'étincelles négatives. Nous savons maintenant que le matériau du film est une source d'électrons pour une charge positive (c'est-à-dire que les électrons du film se déplaceront vers l'électrode positive). L’étincelle négative est une source d’électrons qui s’écoulent à la surface du film. Une nouvelle feuille de film placée dans une expérience fondée donnera à chaque fois les motifs caractéristiques. Les résultats des expériences ne sont pas clairs lorsqu'une charge résiduelle inconnue s'est accumulée sur le film. Les résultats sont souvent un mélange de décharges positives et négatives. Je trouve que ces expériences donnent des résultats particulièrement beaux et surprenants.