周末大概是一個放松心情的時候，那么如果你對高壓電感興趣，你就來對了地方；馬克思發生器可以滿足你對電火花、重擊和震撼的渴望。

現在，我用這篇來描述馬克思發生器使用的物理現象原理。電子學吸引了一大批復雜的愛好者，包括懂物理學的和不懂物理學的。這里已經有幾篇很好的馬克思發生器文章。我更希望讀者對電學的熱情甚于火花。

首先，我必須提醒電非常危險。能量不會憑空產生和消失，但是低能量同樣危險。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，警惕電的危險。如果你不確定，不要去碰電線，護目鏡也是個好選擇。

好吧，現在開始了。

第一步：這與共產主義無關

什么事馬克思發生器？可能你并不熟悉，亦或許你已經在Tesla coils搜索浪費了時間，這只是個玩笑。

馬克思發生器電路包括電容、電阻和安裝在階梯結構的火花間隙，在電容充放電時這個火花間隙可以產生高電壓脈沖（產生火花）。現在可以查下維基百科，看看我解釋的怎么樣。

馬克思發生器是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。馬克思發生器應用在高能物理學實驗，而且可用于模擬閃電在電源線和航空設備的影響。很多馬克思發生器在桑迪亞國家實驗室Z Machine內生成X射線。

我認為我解釋的不錯，盡管我沒提到“低壓直流電”。從維基百科文章可以看出，馬克思發生器對我和你并沒有什么實際用途，但是它們的確很酷。同時，注意“高壓、高能量”這些詞，這意味著很危險，請注意。

但是也許我們應該后退一點點，也許這是你第一次接觸到電子學，讓我們從基礎開始。

第二步：電子物理基礎

當我們提到電流，我們會談論電荷載體的流動。這些載荷子可以是像質子、電子、帶電的原子或者是離子一樣的原子微粒，不斷運動。

因為電子的質荷比很低，電子是固體導體最主要的載荷子。電荷的計量單位是庫（C）。

電荷在電、磁場中相互作用，磁場只對運動的電荷有影響，而電場可同時影響運動與靜止的電荷。一個點電荷產生的電場強度可由高斯定律計算，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代表作用力，q代表電荷量，E代表電場強度。一個微粒受到另一個微粒的力與兩個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。

像自然界其他的事物一樣，電也遵守能量守恒定律，物理學中能量的單位是焦耳（J）。能量既不能憑空產生也不會憑空消失。當然，通過物理作用能量可以保持不變。

電壓與電流的關系將靜止和運動的電荷產生的能量固定。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到低電位就會產生電流，電流大小等于單位時間內通過導體橫截面的電荷量，單位為庫倫每秒（C/S）或者是安培（A）。兩個因素決定電流的大小：一個是帶電粒子的平均漂移速度，另一個是所有微粒的靜電荷量。

電流會隨著經過固定橫截面微粒的數量或速度增加而增加，功率與電壓和電流有關，等式為P=IV，P為功率，I為電流，V為電壓。功率乘以時間等于電能，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點移動到另一個點的電位差。

所以，可以推斷出在閉合環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，任何時刻，對任意結點，所有流入流出結點的支路電流的代數和恒等于零。基爾霍夫定律對更復雜的電路分析有很有用。

電壓和電流還與電阻值有關，即對電流的阻值。歐姆定律描述了電流與電阻產生電壓，V=IR。另外，歐姆定律的標準式是I=V/R。在直流電路中，電阻以熱能的形式消耗電能，而這與導體材料的電阻率有關。在交流電中，電阻則變為阻抗，阻抗的大小與電抗元件（電容、電感）的容抗與感抗有關。

第三步：電路原理基礎

現在，把話題轉移到我最感興趣的電學部分——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現各種特殊的功能。了解電路元件是怎樣工作的有助于復雜電路的分析。制作馬克思發生器只需要三個獨立的元件：電阻、電容和火花間隙。但是，為了提供更多的電學知識，我還在這里介紹幾個其它幾個主要的元件。

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。電路負載包括（例如電燈）增加電阻值或者是感抗元件產生的阻抗。導線擁有固有的金屬特性電阻率，導線的電阻值等于電阻率與導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、變阻器和微調電容器都是可變電阻，可以在分壓電路中應用。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：可以存儲能量，由兩個電極組成，兩端存在電壓時電荷就會聚集。在兩電極之間產生的均勻電場強度與電極表面電荷密度成正比，由于電荷的聚集，電場強度和電極之間的電壓也將隨之增加。

當電容電壓等于電源電壓時電流將等于0。減小電極的面積時，單位電荷的電壓會增加而電荷聚集也會相應的減少。在特定的電容器中電荷量與電壓的比值保持不變，這個比值就是電容值（C），電容儲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算直流RC電路中電流隨時間的變化，結果表明電流呈指數形式下降至0，而且電容與電阻的乘積越大，下降的越快。

RC電路中R*C是個常量，稱作時間常數。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，在電路中相當于短路。

而在低頻電路中（直流電路）電容的阻值無限大，相當于電路開路。在這里，我們會用電容器作主要的儲能元件。

電感和變壓器：儲存磁場能量，電感的磁場作用類似于電容的電場效應。電感就是導電線圈，其本身存在寄生電感（兩根導線靠近時也會產生寄生電容）。

電感就應用了安培定則與法拉第電磁感應定律描述的電磁學。安培定則提到電流通過導線周圍會產生磁場，而法拉第電磁感應定律則表示磁通量變化時，導體會產生電流來抵消磁場的變化。

結合以上兩個定律可以看出電感單個線圈環所產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定量為電感（L），電感儲存的磁場能量為0.5LI2。

像電容一樣，電感可以利用一階微分方程計算直流RL電路中電流隨時間的變化，可看出電流逐漸趨向于V/R，這個值按照指數的形式增長，并且隨L/R的增加，電流的增速也加快。L/R為電路時間常數。

當通過電感的電流變化時會產生阻礙電流通過的電動勢，這個電動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，這個頻率叫諧振頻率，在此頻率下電路呈純電阻性。

兩個電感線圈可以組成變壓器，其中一個線圈為初級線圈，另一個為次級線圈。兩個線圈之間存在互感，也稱作耦合。初級線圈電流變化時，產生的磁通也將變化，而磁通會通過磁芯轉移到次級線圈。

而這導致在次級線圈產生電流，電流值與初級線圈的電流成正比。初級線圈匝數與次級線圈匝數的比值決定兩級線圈的電壓、電流關系。次級線圈的電壓值等于初級電壓除以匝數比，而電流等于初級線圈電流乘以匝數比，所以能量沒有變化。

如果次級線圈與初級線圈的比值大于1，那么次級電壓降更大，這類變壓器是升壓變壓器，反之稱為降壓變壓器。變壓器的初級與次級線圈可隨時對換，在這里我們會用到升壓變壓器來提供電壓。

二極管：只允許電流單向通過，半導體二極管由兩個參雜的半導體材料連接組成。正向導通電壓為一般為0.7V-1.4V，大于導通電壓則可以允許電流通過。

而反向擊穿電壓遠遠大于正向壓降，反向電壓超過擊穿電壓時二極管會被損壞，而電流可反向通過（通常情況下這不是理想狀態）。

但是，對于穩壓二極管就是利用反向雪崩擊穿而工作。二極管還經常用于整流電路，電路由4個二極管組成，叫全波整流電器或者二極管電橋。我們會用到二極管將交流信號變為直流。

三極管：作開關以及放大用，盡管三極管的種類很多，但是大多數都有相同結構組成：基極，集電極，發射極。

三極管由兩個PN結結合組成，有NPN型和PNP兩種形式。從基區傳輸到集電區的信號能夠被放大，最后從發射極輸出的信號比信號源更大。高增益三極管可應用于二態邏輯電路，我們會用到大功率NPN三極管來改變變壓器的電流。

火花間隙：在高壓狀態時導電，火花間隙由兩個電極組成，電極被空氣或其他絕緣體隔開。在一定的電壓范圍內，絕緣體會組織電流通過。但是當兩電極間的電壓超過極限值，絕緣體將會變成導體。

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馬克思發生器產生火花。

特殊元件—制動器，換能器和傳感器：轉換能量的形式，換能器就是用來做能量轉換用的。制動器（例如電動機和電磁線圈）能將電能轉化為動能。

麥克風、揚聲器和壓電材料就可稱作換能器。傳感器則可通過環境的變化來發送信息，比如光強度的變化以及化學成分的改變。

集成電路：將電路封裝到微小的芯片，IC的集成度也呈指數形式增長，這個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。目前的技術足以使數十億個三極管封裝到一個IC。在這個制作過程中會用到TLC555定時器來產生方波信號。

第四步：準備材料

1、兩個重型6V手提電池：

為馬克思發生器提供12V的電壓

2、9V電池：

我第一次設計馬克思發生器的時候，我用的是9V電池為555定時信號發生器供電。然而，電路經過修改后，定時器可直接由手提電池供電，這個方案更實用。

3、555定時器集成電路：

TLC555定時器集成電路通過產生方波來調制變壓器電流

4、大功率三極管：

采用NPN型三極管，用來調整變壓器電流

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，每級電路配置兩個二極管。

7、電阻若干個：

這里需要兩個電阻來調節555多諧振蕩器電路的頻率以及振蕩周期，我用的是一個2.2KΩ和一個3.3KΩ的電阻。另外，在馬克思發生器的電路也需要最少0.25W的大功率電阻，如果馬克思發生器有n級，則需要2n個這樣的大功率電阻。在我的設計里用的都是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定時器的振蕩頻率，在CW倍壓器和馬克思發生器電路中還需要高壓電容器。每級CW倍壓器電路需要兩個額定電壓最少為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）結合起來應用；每級馬克思發生器電路則需一個額定輸入電壓大約為8kV的電容，我選擇的是兩個4kV 68nF的立陶宛電容。

最后，你還需要準備導線和焊錫，還有把所有東西固定在一起的膠帶。

第五步：電路原理圖與計算

在準備完所有材料后，就可以開始漫長的馬克思發生器制作步驟。

馬克思發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定時器在多諧振蕩模式下，產生方波信號輸入到大功率三極管中。三極管改變變壓器初級線圈的電流，次級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交流信號通過CW倍壓器將轉換為8kV的直流電壓。交流信號通過級聯的電容和二極管過濾，每一級CW倍壓器配置兩個電容器和兩個二極管。CW倍壓器的輸出電壓Vo=Vi（2n），Vi為輸入電壓，n是倍壓器的級數。因為電容具有電抗特征，CW倍壓器的級數受到限制。我采用的是16級，效果還不錯。

最后一部分是真正的馬克思發生器電路。從CW倍壓器輸出的8kV直流電信號經過此電路后會產生高達180kV的脈沖信號！這個電路由電阻、電容以及火花間隙組成。這些電容通過以并聯的形式進行充電，然后串聯通過火花間隙進行放電。當第一火花間隙電壓到極限時就會導通產生火花，后續電壓不斷增大，火花間隙也就會逐個產生火花。經過這些電容后理想的輸出電壓Vo=Vi（n），n是發生器的級數，我設計的是45級。當你所有的電容電壓足夠電離火花間隙時，就會產生大量的火花，這也證明了你的馬克思發生器制作成功。

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組成，不過你需要時刻關注這過程，通常用螺絲刀操作觸發第一個火花間隙更有效，這樣可使后續各級火花更完美。

如果你制作的馬克思發生器足夠大，我建議你設計一個更耐用的火花間隙，而不是像上圖所示的臨時產品。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。你會發現數學計算的并不準確，假設輸入電壓為12V，通過公司計算最后的火花電壓應該為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。

創新方法：

馬克思發生器利用電容串聯放電，而不是并聯，這一點原理圖中就可看到。不幸的是，電阻會產生副作用，使得充電率降低并且點火的頻率也將減少。

用電感代替電阻也許是一個可行的方案，這樣在產生火花時會體現高阻抗性質，充電時則表現為低阻抗。電感還會有效的阻止電容并聯放電。

另外，三極管可以代替火花間隙，馬克思發生器完全由固態電路組成。外圍電路可以監控各級電壓，并且當各級都達到極限電壓時可觸發放電過程。這樣設計需要用大功率三極管和足夠的級數，這樣可以在更低的輸入電壓下產生高脈沖。

最后一步：產生火花

需要提醒一下，制作過程中注意安全！