2018年01月23日 | 20级马克思发生器制作教程

马克思发生器可以满足你对电火花、重击和震撼的渴望。这个马克思发生器的制作是一个很棒的选择，可以一起分享马克思发生器带来的刺激。

首先，我必须提醒电非常危险。能量不会凭空产生和消失，但是低能量同样危险。考虑到人的身体对电非常敏感，人很容易被电路烧伤。所以，聪明点，警惕电的危险。如果你不确定，不要去碰电线，护目镜也是个好选择。

马克思发生器电路包括电容、电阻和安装在阶梯结构的火花间隙，在电容充放电时这个火花间隙可以产生高电压脉冲（产生火花）。

马克思发生器是ErwinOttoMarx在1924年提出的，它的功能是将低压直流电放大成高压脉冲。马克思发生器应用在高能物理学实验，而且可用于模拟闪电在电源线和航空设备的影响。很多马克思发生器在桑迪亚国家实验室ZMachine内生成X射线。

电路原理基础

制作马克思发生器只需要三个独立的元件：电阻、电容和火花间隙。在这里介绍一下几个元件。

电阻：阻止电流通过，电阻是增加电流通过的阻力就像摩擦力一样。电路负载包括（例如电灯）增加电阻值或者是感抗元件产生的阻抗。导线拥有固有的金属特性电阻率，导线的电阻值等于电阻率与导线长度的乘积除以横截面积。电阻、电阻两端电压以及通过电阻的电流都遵守欧姆定律。电位器、变阻器和微调电容器都是可变电阻，可以在分压电路中应用。电阻通常用于限流或分压，在这里，我将电阻用来延迟电容的充放电。

电容：可以存储能量，由两个电极组成，两端存在电压时电荷就会聚集。在两电极之间产生的均匀电场强度与电极表面电荷密度成正比，由于电荷的聚集，电场强度和电极之间的电压也将随之增加。当电容电压等于电源电压时电流将等于0。减小电极的面积时，单位电荷的电压会增加而电荷聚集也会相应的减少。在特定的电容器中电荷量与电压的比值保持不变，这个比值就是电容值（C），电容储存的电场能量值等于0.5CU²。电容可通过RC电路充电，而且在充电过程中电容电压与电源电压的差值逐渐减小，从而使得充电速度降低。可以利用一阶微分方程计算直流RC电路中电流随时间的变化，结果表明电流呈指数形式下降至0，而且电容与电阻的乘积越大，下降的越快。RC电路中R*C是个常量，称作时间常数。电容在电路中存在容抗，交流电中电抗元件对电流的阻碍作用叫阻抗，阻抗等于电阻与电抗在向量上的和。换句话说，在高频电路中，电容的容抗接近0，在电路中相当于短路。而在低频电路中（直流电路）电容的阻值无限大，相当于电路开路。在这里，我们会用电容器作主要的储能元件。

花间隙：在高压状态时导电，火花间隙由两个电极组成，电极被空气或其他绝缘体隔开。在一定的电压范围内，绝缘体会组织电流通过。但是当两电极间的电压超过极限值，绝缘体将会变成导体。空气电离极限电压是每毫米间隙大概1kV，我们用火花间隙来触发马克思发生器产生火花。

特殊元件—制动器，换能器和传感器：转换能量的形式，换能器就是用来做能量转换用的。制动器（例如电动机和电磁线圈）能将电能转化为动能。麦克风、扬声器和压电材料就可称作换能器。传感器则可通过环境的变化来发送信息，比如光强度的变化以及化学成分的改变。

准备材料

1、两个重型6V手提电池：

为马克思发生器提供12V的电压

2、9V电池：

我第一次设计马克思发生器的时候，我用的是9V电池为555定时信号发生器供电。然而，电路经过修改后，定时器可直接由手提电池供电，这个方案更实用。

3、555定时器集成电路：

TLC555定时器集成电路通过产生方波来调制变压器电流

4、大功率三极管：

采用NPN型三极管，用来调整变压器电流

5、变压器：

在CW倍压器之前变压器可提高电压，我用的是20:1的抽头变压器。

6、二极管

CW倍压器电路需要功率二极管，每级电路配置两个二极管。

7、电阻若干个：

这里需要两个电阻来调节555多谐振荡器电路的频率以及振荡周期，我用的是一个2.2KΩ和一个3.3KΩ的电阻。另外，在马克思发生器的电路也需要最少0.25W的大功率电阻，如果马克思发生器有n级，则需要2n个这样的大功率电阻。在我的设计里用的都是0.25W1MΩ的电阻。

8、电容若干：

低容值的陶瓷电容（我用的是0.047μF）用来控制555定时器的振荡频率，在CW倍压器和马克思发生器电路中还需要高压电容器。每级CW倍压器电路需要两个额定电压最少为1KV的低容值电容器。在这里我是把1KV的陶瓷电容和金属薄膜电容（220-560pF）结合起来应用；每级马克思发生器电路则需一个额定输入电压大约为8kV的电容，我选择的是两个4kV68nF的立陶宛电容。

最后，你还需要准备导线和焊锡，还有把所有东西固定在一起的胶带。

电路原理图与计算

在准备完所有材料后，就可以开始漫长的马克思发生器制作步骤。

马克思发生器可以分成三部分。

第一部分包括电源电路和555控制电路，电源电压为12V，而输出电压为240V。555定时器在多谐振荡模式下，产生方波信号输入到大功率三极管中。三极管改变变压器初级线圈的电流，次级线圈将获得更大的电压。

第二部分是CW倍压器，第一部分的240V交流信号通过CW倍压器将转换为8kV的直流电压。交流信号通过级联的电容和二极管过滤，每一级CW倍压器配置两个电容器和两个二极管。CW倍压器的输出电压Vo=Vi（2n），Vi为输入电压，n是倍压器的级数。因为电容具有电抗特征，CW倍压器的级数受到限制。我采用的是16级，效果还不错。

最后一部分是真正的马克思发生器电路。从CW倍压器输出的8kV直流电信号经过此电路后会产生高达180kV的脉冲信号！这个电路由电阻、电容以及火花间隙组成。这些电容通过以并联的形式进行充电，然后串联通过火花间隙进行放电。当第一火花间隙电压到极限时就会导通产生火花，后续电压不断增大，火花间隙也就会逐个产生火花。经过这些电容后理想的输出电压Vo=Vi（n），n是发生器的级数，我设计的是45级。当你所有的电容电压足够电离火花间隙时，就会产生大量的火花，这也证明了你的马克思发生器制作成功。

电路分析

火花间隙可用弯曲的电阻和电容连接各级组成，不过你需要时刻关注这过程，通常用螺丝刀操作触发第一个火花间隙更有效，这样可使后续各级火花更完美。

如果你制作的马克思发生器足够大，我建议你设计一个更耐用的火花间隙，而不是像上图所示的临时产品。我用胶带纸缠住电容，但是这不是最好的办法。

你可以通过测量最大的火花间距和每毫米1kV的原则估算你的火花电压。我的火化间距为18cm，与180kV的放电电压相对应。你会发现数学计算的并不准确，假设输入电压为12V，通过公司计算最后的火花电压应该为12*（20）*（32）*（45）=345600V，大概是180Kv的两倍。这可能是由于位置的失真和不精确的估算造成的。

注意将最后一个火花间隙未接地的电极与其它电路隔离开，火花很容易影响到CW倍压器。

产生火花

当然，制作过程中要注意安全！