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可以確定一件事：如果你對高壓電感興趣，那么你就來對了地方；馬克思發(fā)生器可以滿足你對電火花、重?fù)艉驼鸷车目释＿@個(gè)馬克思發(fā)生器是我?guī)啄昵爸谱鞯模窃趲状螌?shí)驗(yàn)后出了故障，直到上個(gè)月我才修好它。我認(rèn)為詳述這個(gè)裝置的制作是一個(gè)很棒的選擇，這樣你們可以一起分享馬克思發(fā)生器帶來的刺激。
現(xiàn)在，我用這篇來描述馬克思發(fā)生器使用的物理現(xiàn)象原理。電子學(xué)吸引了一大批復(fù)雜的愛好者，包括懂物理學(xué)的和不懂物理學(xué)的。我更希望讀者對電學(xué)的熱情甚于火花。
首先，我必須提醒電非常危險(xiǎn)。能量不會(huì)憑空產(chǎn)生和消失，但是低能量同樣危險(xiǎn)。考慮到人的身體對電非常敏感，人很容易被電路燒傷。所以，聰明點(diǎn)，警惕電的危險(xiǎn)。如果你不確定，不要去碰電線，護(hù)目鏡也是個(gè)好選擇。
好吧，現(xiàn)在開始了。
第一步：這與共產(chǎn)主義無關(guān)
什么是馬克思發(fā)生器？可能你并不熟悉，亦或許你已經(jīng)在Tesla coils搜索浪費(fèi)了時(shí)間，這只是個(gè)玩笑。
馬克思發(fā)生器電路包括電容、電阻和安裝在階梯結(jié)構(gòu)的火花間隙，在電容充放電時(shí)這個(gè)火花間隙可以產(chǎn)生高電壓脈沖（產(chǎn)生火花）。現(xiàn)在可以查下維基百科，看看我解釋的怎么樣。
馬克思發(fā)生器是Erwin Otto Marx在1924年提出的，它的功能是將低壓直流電放大成高壓脈沖。馬克思發(fā)生器應(yīng)用在高能物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且可用于模擬閃電在電源線和航空設(shè)備的影響。很多馬克思發(fā)生器在桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室Z Machine內(nèi)生成X射線。
我認(rèn)為我解釋的不錯(cuò)，盡管我沒提到“低壓直流電”。從維基百科文章可以看出，馬克思發(fā)生器對我和你并沒有什么實(shí)際用途，但是它們的確很酷。同時(shí)，注意“高壓、高能量”這些詞，這意味著很危險(xiǎn)，請注意。
但是也許我們應(yīng)該后退一點(diǎn)點(diǎn)，也許這是你第一次接觸到電子學(xué)，讓我們從基礎(chǔ)開始。
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第二步：電子物理基礎(chǔ)
我們提到電流，我們會(huì)談?wù)撾姾奢d體的流動(dòng)。這些載荷子可以是像質(zhì)子、電子、帶電的原子或者是離子一樣的原子微粒，不斷運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)荷比很低，電子是固體導(dǎo)體最主要的載荷子。電荷的計(jì)量單位是庫（C）。電荷在電、磁場中相互作用，磁場只對運(yùn)動(dòng)的電荷有影響，而電場可同時(shí)影響運(yùn)動(dòng)與靜止的電荷。一個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度可由高斯定律計(jì)算，和電荷量成正比，與電荷距離的平方成反比。在電場中的微粒受到的力與自身的電荷量成正比。即F=qE，F(xiàn)代表作用力，q代表電荷量，E代表電場強(qiáng)度。一個(gè)微粒受到另一個(gè)微粒的力與兩個(gè)微粒的電荷量成正比，與兩微粒距離的平方成反比，這就是庫侖定律。
在電學(xué)里，有兩大領(lǐng)域：靜電學(xué)和電磁學(xué)。靜電只在靜止的電荷中產(chǎn)生，它不能像電磁學(xué)一樣解釋大多數(shù)物理情景，電磁學(xué)是在電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的更復(fù)雜的物理學(xué)。除非你一輩子呆在封閉的盒子里，否則你會(huì)經(jīng)歷靜電學(xué)和電子學(xué)的物理現(xiàn)象。用氣球摩擦頭發(fā)置換電荷就是靜電作用的一個(gè)例子。微波、磁鐵以及大多數(shù)電子器件都遵守電磁學(xué)的原理。為了達(dá)到我們的目的，我們在分析時(shí)會(huì)忽略電磁學(xué)的作用，因?yàn)轳R克思發(fā)生器更多的是遵守靜電學(xué)的原理。但是，你還是應(yīng)該知道電學(xué)與磁學(xué)的關(guān)系，你應(yīng)該知道時(shí)變的磁場會(huì)產(chǎn)生電場（法拉第定律），而變化的電場同樣會(huì)產(chǎn)生磁場（麥克斯韋安培定律）。從麥克斯韋方程組可看出電與磁的對稱性，這也證實(shí)了存在與光速相同的電磁波。
像自然界其他的事物一樣，電也遵守能量守恒定律，物理學(xué)中能量的單位是焦耳（J）。能量既不能憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失。當(dāng)然，通過物理作用能量可以保持不變。電壓與電流的關(guān)系將靜止和運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的能量固定。電壓值就是電位差，單位為伏特（V）或焦耳每庫倫（J/C），換句話說電壓值等于電荷移動(dòng)所需的能量除以微粒本身的電荷量。帶電粒子從高電位移動(dòng)到低電位就會(huì)產(chǎn)生電流，電流大小等于單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，單位為庫倫每秒（C/S）或者是安培（A）。兩個(gè)因素決定電流的大小：一個(gè)是帶電粒子的平均漂移速度，另一個(gè)是所有微粒的靜電荷量。電流會(huì)隨著經(jīng)過固定橫截面微粒的數(shù)量或速度增加而增加，功率與電壓和電流有關(guān)，等式為P=IV，P為功率，I為電流，V為電壓。功率乘以時(shí)間等于電能，電壓與電流同樣遵守能量守恒定律。我們都知道能量守恒，并且電壓就是電子從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)的電位差。所以，可以推斷出在閉合環(huán)路各段電阻的總電壓值為0，這就是有名的基爾霍夫電壓定律。另外基爾霍夫電流定律是：在集總電路中，任何時(shí)刻，對任意結(jié)點(diǎn)，所有流入流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零。基爾霍夫定律對更復(fù)雜的電路分析有很有用。
電壓和電流還與電阻值有關(guān)，即對電流的阻值。歐姆定律描述了電流與電阻產(chǎn)生電壓，V=IR。另外，歐姆定律的標(biāo)準(zhǔn)式是I=V/R。在直流電路中，電阻以熱能的形式消耗電能，而這與導(dǎo)體材料的電阻率有關(guān)。在交流電中，電阻則變?yōu)樽杩梗杩沟拇笮∨c電抗元件（電容、電感）的容抗與感抗有關(guān)。
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第三步：電路原理基礎(chǔ)
現(xiàn)在，把話題轉(zhuǎn)移到我最感興趣的電學(xué)部分——電路
電路遵守上述物理概念及定律，由電子元件組成，分立元件通過物理定律來實(shí)現(xiàn)各種特殊的功能。了解電路元件是怎樣工作的有助于復(fù)雜電路的分析。制作馬克思發(fā)生器只需要三個(gè)獨(dú)立的元件：電阻、電容和火花間隙。但是，為了提供更多的電學(xué)知識(shí)，我還在這里介紹幾個(gè)其它幾個(gè)主要的元件。
電阻：阻止電流通過，電阻是增加電流通過的阻力就像摩擦力一樣。電路負(fù)載包括（例如電燈）增加電阻值或者是感抗元件產(chǎn)生的阻抗。導(dǎo)線擁有固有的金屬特性電阻率，導(dǎo)線的電阻值等于電阻率與導(dǎo)線長度的乘積除以橫截面積。電阻、電阻兩端電壓以及通過電阻的電流都遵守歐姆定律。電位器、變阻器和微調(diào)電容器都是可變電阻，可以在分壓電路中應(yīng)用。電阻通常用于限流或分壓，在這里，我將電阻用來延遲電容的充放電。
電容：可以存儲(chǔ)能量，由兩個(gè)電極組成，兩端存在電壓時(shí)電荷就會(huì)聚集。在兩電極之間產(chǎn)生的均勻電場強(qiáng)度與電極表面電荷密度成正比，由于電荷的聚集，電場強(qiáng)度和電極之間的電壓也將隨之增加。當(dāng)電容電壓等于電源電壓時(shí)電流將等于0。減小電極的面積時(shí)，單位電荷的電壓會(huì)增加而電荷聚集也會(huì)相應(yīng)的減少。在特定的電容器中電荷量與電壓的比值保持不變，這個(gè)比值就是電容值（C），電容儲(chǔ)存的電場能量值等于0.5CU²。電容可通過RC電路充電，而且在充電過程中電容電壓與電源電壓的差值逐漸減小，從而使得充電速度降低。可以利用一階微分方程計(jì)算直流RC電路中電流隨時(shí)間的變化，結(jié)果表明電流呈指數(shù)形式下降至0，而且電容與電阻的乘積越大，下降的越快。RC電路中R*C是個(gè)常量，稱作時(shí)間常數(shù)。電容在電路中存在容抗，交流電中電抗元件對電流的阻礙作用叫阻抗，阻抗等于電阻與電抗在向量上的和。換句話說，在高頻電路中，電容的容抗接近0，在電路中相當(dāng)于短路。而在低頻電路中（直流電路）電容的阻值無限大，相當(dāng)于電路開路。在這里，我們會(huì)用電容器作主要的儲(chǔ)能元件。
電感和變壓器：儲(chǔ)存磁場能量，電感的磁場作用類似于電容的電場效應(yīng)。電感就是導(dǎo)電線圈，其本身存在寄生電感（兩根導(dǎo)線靠近時(shí)也會(huì)產(chǎn)生寄生電容）。電感就應(yīng)用了安培定則與法拉第電磁感應(yīng)定律描述的電磁學(xué)。安培定則提到電流通過導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，而法拉第電磁感應(yīng)定律則表示磁通量變化時(shí)，導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電流來抵消磁場的變化。結(jié)合以上兩個(gè)定律可以看出電感單個(gè)線圈環(huán)所產(chǎn)生的磁場是用來組織電流通過線圈，電感器這種特有的性質(zhì)定量為電感（L），電感儲(chǔ)存的磁場能量為0.5LI²。像電容一樣，電感可以利用一階微分方程計(jì)算直流RL電路中電流隨時(shí)間的變化，可看出電流逐漸趨向于V/R，這個(gè)值按照指數(shù)的形式增長，并且隨L/R的增加，電流的增速也加快。L/R為電路時(shí)間常數(shù)。當(dāng)通過電感的電流變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻礙電流通過的電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢的大小與電流變化的速率和電感大小的乘積成正比。由此可以看出，電感阻礙電流變化的程度就是感抗，電感在直流和交流電路中的作用與電容相反。因此，在LC電路中就存在容抗與感抗抵消的頻率，這個(gè)頻率叫諧振頻率，在此頻率下電路呈純電阻性。
兩個(gè)電感線圈可以組成變壓器，其中一個(gè)線圈為初級(jí)線圈，另一個(gè)為次級(jí)線圈。兩個(gè)線圈之間存在互感，也稱作耦合。初級(jí)線圈電流變化時(shí)，產(chǎn)生的磁通也將變化，而磁通會(huì)通過磁芯轉(zhuǎn)移到次級(jí)線圈。而這導(dǎo)致在次級(jí)線圈產(chǎn)生電流，電流值與初級(jí)線圈的電流成正比。初級(jí)線圈匝數(shù)與次級(jí)線圈匝數(shù)的比值決定兩級(jí)線圈的電壓、電流關(guān)系。次級(jí)線圈的電壓值等于初級(jí)電壓除以匝數(shù)比，而電流等于初級(jí)線圈電流乘以匝數(shù)比，所以能量沒有變化。如果次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的比值大于1，那么次級(jí)電壓降更大，這類變壓器是升壓變壓器，反之稱為降壓變壓器。變壓器的初級(jí)與次級(jí)線圈可隨時(shí)對換，在這里我們會(huì)用到升壓變壓器來提供電壓。
二極管：只允許電流單向通過，半導(dǎo)體二極管由兩個(gè)參雜的半導(dǎo)體材料連接組成。正向?qū)妷簽橐话銥?.7V-1.4V，大于導(dǎo)通電壓則可以允許電流通過。而反向擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正向壓降，反向電壓超過擊穿電壓時(shí)二極管會(huì)被損壞，而電流可反向通過（通常情況下這不是理想狀態(tài)）。但是，對于穩(wěn)壓二極管就是利用反向雪崩擊穿而工作。二極管還經(jīng)常用于整流電路，電路由4個(gè)二極管組成，叫全波整流電器或者二極管電橋。我們會(huì)用到二極管將交流信號(hào)變?yōu)橹绷鳌?/div>
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三極管：作開關(guān)以及放大用，盡管三極管的種類很多，但是大多數(shù)都有相同結(jié)構(gòu)組成：基極，集電極，發(fā)射極。三極管由兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合組成，有NPN型和PNP兩種形式。從基區(qū)傳輸?shù)郊妳^(qū)的信號(hào)能夠被放大，最后從發(fā)射極輸出的信號(hào)比信號(hào)源更大。高增益三極管可應(yīng)用于二態(tài)邏輯電路，我們會(huì)用到大功率NPN三極管來改變變壓器的電流。
火花間隙：在高壓狀態(tài)時(shí)導(dǎo)電，火花間隙由兩個(gè)電極組成，電極被空氣或其他絕緣體隔開。在一定的電壓范圍內(nèi)，絕緣體會(huì)組織電流通過。但是當(dāng)兩電極間的電壓超過極限值，絕緣體將會(huì)變成導(dǎo)體。空氣電離極限電壓是每毫米間隙大概1kV，我們用火花間隙來觸發(fā)馬克思發(fā)生器產(chǎn)生火花。
特殊元件—制動(dòng)器，換能器和傳感器：轉(zhuǎn)換能量的形式，換能器就是用來做能量轉(zhuǎn)換用的。制動(dòng)器（例如電動(dòng)機(jī)和電磁線圈）能將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和壓電材料就可稱作換能器。傳感器則可通過環(huán)境的變化來發(fā)送信息，比如光強(qiáng)度的變化以及化學(xué)成分的改變。
集成電路：將電路封裝到微小的芯片，IC的集成度也呈指數(shù)形式增長，這個(gè)增長趨勢叫摩爾定律，而IC也變得更小、性能更好以及更便宜。目前的技術(shù)足以使數(shù)十億個(gè)三極管封裝到一個(gè)IC。在這個(gè)制作過程中會(huì)用到TLC555定時(shí)器來產(chǎn)生方波信號(hào)。
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第四步：準(zhǔn)備材料
1、兩個(gè)重型6V手提電池：
為馬克思發(fā)生器提供12V的電壓
2、9V電池：
我第一次設(shè)計(jì)馬克思發(fā)生器的時(shí)候，我用的是9V電池為555定時(shí)信號(hào)發(fā)生器供電。然而，電路經(jīng)過修改后，定時(shí)器可直接由手提電池供電，這個(gè)方案更實(shí)用。
3、555定時(shí)器集成電路：
TLC555定時(shí)器集成電路通過產(chǎn)生方波來調(diào)制變壓器電流
4、大功率三極管：
采用NPN型三極管，用來調(diào)整變壓器電流
5、變壓器：
在CW倍壓器之前變壓器可提高電壓，我用的是20:1的抽頭變壓器。
6、二極管
CW倍壓器電路需要功率二極管，每級(jí)電路配置兩個(gè)二極管。
7、電阻若干個(gè)：
這里需要兩個(gè)電阻來調(diào)節(jié)555多諧振蕩器電路的頻率以及振蕩周期，我用的是一個(gè)2.2KΩ和一個(gè)3.3KΩ的電阻。另外，在馬克思發(fā)生器的電路也需要最少0.25W的大功率電阻，如果馬克思發(fā)生器有n級(jí)，則需要2n個(gè)這樣的大功率電阻。在我的設(shè)計(jì)里用的都是0.25W 1MΩ的電阻。
8、電容若干：
低容值的陶瓷電容（我用的是0.047μF）用來控制555定時(shí)器的振蕩頻率，在CW倍壓器和馬克思發(fā)生器電路中還需要高壓電容器。每級(jí)CW倍壓器電路需要兩個(gè)額定電壓最少為1KV的低容值電容器。在這里我是把1KV的陶瓷電容和金屬薄膜電容（220-560pF）結(jié)合起來應(yīng)用；每級(jí)馬克思發(fā)生器電路則需一個(gè)額定輸入電壓大約為8kV的電容，我選擇的是兩個(gè)4kV 68nF的立陶宛電容。
最后，你還需要準(zhǔn)備導(dǎo)線和焊錫，還有把所有東西固定在一起的膠帶。
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第五步：電路原理圖與計(jì)算
在準(zhǔn)備完所有材料后，就可以開始漫長的馬克思發(fā)生器制作步驟。
馬克思發(fā)生器可以分成三部分。
第一部分包括電源電路和555控制電路，電源電壓為12V，而輸出電壓為240V。555定時(shí)器在多諧振蕩模式下，產(chǎn)生方波信號(hào)輸入到大功率三極管中。三極管改變變壓器初級(jí)線圈的電流，次級(jí)線圈將獲得更大的電壓。
第二部分是CW倍壓器，第一部分的240V交流信號(hào)通過CW倍壓器將轉(zhuǎn)換為8kV的直流電壓。交流信號(hào)通過級(jí)聯(lián)的電容和二極管過濾，每一級(jí)CW倍壓器配置兩個(gè)電容器和兩個(gè)二極管。CW倍壓器的輸出電壓Vo=Vi（2n），Vi為輸入電壓，n是倍壓器的級(jí)數(shù)。因?yàn)殡娙菥哂须娍固卣鳎珻W倍壓器的級(jí)數(shù)受到限制。我采用的是16級(jí)，效果還不錯(cuò)。
最后一部分是真正的馬克思發(fā)生器電路。從CW倍壓器輸出的8kV直流電信號(hào)經(jīng)過此電路后會(huì)產(chǎn)生高達(dá)180kV的脈沖信號(hào)！這個(gè)電路由電阻、電容以及火花間隙組成。這些電容通過以并聯(lián)的形式進(jìn)行充電，然后串聯(lián)通過火花間隙進(jìn)行放電。當(dāng)?shù)谝换鸹ㄩg隙電壓到極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)通產(chǎn)生火花，后續(xù)電壓不斷增大，火花間隙也就會(huì)逐個(gè)產(chǎn)生火花。經(jīng)過這些電容后理想的輸出電壓Vo=Vi（n），n是發(fā)生器的級(jí)數(shù)，我設(shè)計(jì)的是45級(jí)。當(dāng)你所有的電容電壓足夠電離火花間隙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的火花，這也證明了你的馬克思發(fā)生器制作成功。
第六步：電路分析
火花間隙可用彎曲的電阻和電容連接各級(jí)組成，不過你需要時(shí)刻關(guān)注這過程，通常用螺絲刀操作觸發(fā)第一個(gè)火花間隙更有效，這樣可使后續(xù)各級(jí)火花更完美。
如果你制作的馬克思發(fā)生器足夠大，我建議你設(shè)計(jì)一個(gè)更耐用的火花間隙，而不是像上圖所示的臨時(shí)產(chǎn)品。我用膠帶紙纏住電容，但是這不是最好的辦法。
你可以通過測量最大的火花間距和每毫米1kV的原則估算你的火花電壓。我的火化間距為18cm，與180kV的放電電壓相對應(yīng)。你會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)計(jì)算的并不準(zhǔn)確，假設(shè)輸入電壓為12V，通過公司計(jì)算最后的火花電壓應(yīng)該為12*（20）*（32）*（45）=345600V，大概是180Kv的兩倍。這可能是由于位置的失真和不精確的估算造成的。
注意將最后一個(gè)火花間隙未接地的電極與其它電路隔離開，火花很容易影響到CW倍壓器。
創(chuàng)新方法：
馬克思發(fā)生器利用電容串聯(lián)放電，而不是并聯(lián)，這一點(diǎn)原理圖中就可看到。不幸的是，電阻會(huì)產(chǎn)生副作用，使得充電率降低并且點(diǎn)火的頻率也將減少。用電感代替電阻也許是一個(gè)可行的方案，這樣在產(chǎn)生火花時(shí)會(huì)體現(xiàn)高阻抗性質(zhì)，充電時(shí)則表現(xiàn)為低阻抗。電感還會(huì)有效的阻止電容并聯(lián)放電。
另外，三極管可以代替火花間隙，馬克思發(fā)生器完全由固態(tài)電路組成。外圍電路可以監(jiān)控各級(jí)電壓，并且當(dāng)各級(jí)都達(dá)到極限電壓時(shí)可觸發(fā)放電過程。這樣設(shè)計(jì)需要用大功率三極管和足夠的級(jí)數(shù)，這樣可以在更低的輸入電壓下產(chǎn)生高脈沖。
最后一步：產(chǎn)生火花
