Меню

Генератор маркса что это такое



Генератор Маркса и его использование

Эта статья предназначена только для ознакомительных целей. Описанные здесь устройства потенциально опасны для жизни, поэтому будьте, пожалуйста, осторожны при пользовании данной информацией.

Генератором Маркса называется устройство для получения высоковольтных импульсных разрядов, основанное на принципе параллельной зарядки нескольких высоковольтных конденсаторов до высокого напряжения, с последующим соединением этих заряженных конденсаторов в последовательную цепь, в результате такого сложения получается искровой электрический разряд при напряжении большем, чем напряжение заряжающего источника, пропорционально количеству конденсаторов в цепи.

Зарядка конденсаторов параллельно осуществляется через высокоомные (мегаомные) резисторы, а последовательное соединение становится возможным благодаря использованию газовых (воздушных) разрядников или тригатронов.

Когда конденсаторы заряжены до высокого напряжения, срабатывает первый разрядник, он выступает в роли триггера, и для его активации иногда используют инициирующий разряд от дополнительного источника, либо просто кратковременно сближают его собственные электроды. Когда первый разрядник сработал, возникшее в цепи перенапряжение заставляет тут же сработать и все остальные разрядники, так получается последовательное соединение и замыкание через воздух цепи заряженных конденсаторов.

Так, при помощи генераторов Маркса получают импульсные разряды с напряжением от нескольких десятков киловольт до десятков мегавольт. Частота генерируемых импульсов (разрядов) зависит от мощности зарядного источника высокого напряжения и от энергии в единичном импульсе.

Типичный для генераторов Маркса диапазон частот получаемых импульсов — от нескольких разрядов в час до десятков герц. Энергия одного импульса может измеряться как десятками мегаджоулей, так и долями джоуля, в зависимости от емкостей применяемых конденсаторов и от получаемого в импульсе напряжения.

В интернете можно найти много примеров успешных реализаций любительских версий генераторов Маркса, особенно они популярны в США и Европе.

Данная схема для получения импульсов высокого напряжения была впервые предложена в 1924 году Эдвином Отто Марксом (1893-1980) — немецким инженером. Изобретатель построил первую модель в 1926 году. На территории бывшего СССР генераторы Маркса называют еще генераторами Аркадьева — Маркса, либо Маркса — Аркадьева, а еще Аркадьева-Баклина-Маркса.

Дело в том, что еще в 1914 году Владимир Константинович Аркадьев совместно с Николаем Васильевичем Баклиным построили первый на территории России генератор молний, работавший на принципе последовательного соединения заряженных параллельно конденсаторов, то есть еще до Маркса принцип был освоен в России. Однако Аркадьев и Баклин соединяли конденсаторы механически, а не через разряды, как это предложил делать Маркс, спустя 10 лет.

Небольшие лабораторные генераторы Маркса с выходным напряжением до 200 кВ исполняются с воздушной изоляцией. Более мощные — с вакуумной изоляцией или с газовой, например элегаз. Может применяться и масло для устранения утечек вследствие коронирования на открытых участках проводников.

Если применяют вакуум, газ или масло, то генератор, как правило, полностью помещают в емкость, заполненную маслом или в вакуумированную герметичную камеру, либо в камеру с газом. Часто изолируют конденсаторы и резисторы, но разрядники выводят на воздух.

В качестве разрядников могут быть использованы воздушные разрядники на 100 киловольт и на ток до мегаампера, либо вакуумные разрядники, игнитроны, даже водородные тиратроны, несмотря на дороговизну и т. д. Для снижения потерь вместо резисторов иногда ставят дроссели высокой добротности, либо делают жидкостные резисторы. Иногда изготавливают конденсаторы на основе деионизированной воды.

Главным недостатком генератора Маркса, как источника импульсов высокого напряжения, является необходимость установки большого количества ступеней конденсаторов и, соответственно, коммутирующих разрядников, а это сильно ухудшает удельные энергетические характеристики конструкции, массо-габаритные параметры и КПД.

Почему так происходит? В первую очередь при разряде имеют место потери в диэлектрике конденсаторов и в воздушных промежутках, в частности, сопротивление канала главного разрядного промежутка велико, а это — сопротивление нагрузки.

Читайте также:  Авто генераторы в тамбове

Чтобы снизить потери необходимо создать коммутирующим искровым разрядникам условия повышенной прочности окружающего их газа под давлением, применять конденсаторы высокой добротности, улучшать инициирование стартового пробоя, чтобы фронт получился более крутым.

Говоря о применении высоковольтных генераторов Маркса нельзя не назвать исследовательские направления в науке, коих множество. Разнообразные технические задачи требуют значительных токов и высоких напряжений. Еще во времена Игоря Васильевича Курчатова генераторы Маркса помогали в ядерных исследованиях для придания высоких скоростей элементарным частицам и инициирования реакций.

Благодаря генераторам Маркса накачивают квантовые генераторы, исследуют поведение плазмы и импульсные излучения, строят средства радиоэлектронной борьбы, электрогидравлическим способом обрабатывают металлы, дробят грунты и уплотняют бетонные смеси.

Иногда объединяют пару генераторов Маркса для получения высокого потенциала с целью зарядить относительно емкие конденсаторы малоступенчатого генератора, и получить таким образом сравнительно невысокий потенциал, но длительный токовый импульс.

Генератор Маркса является смертельно опасным для человека устройством. Без специальной подготовки не следует пытаться его построить, это чревато травмами и даже смертью. Прежде чем прикоснуться к генератору Маркса, убедитесь, что все конденсаторы разряжены. Разряды генератора Маркса являются мощным источником ультрафиолетового излучения, кроме того сопровождаются выделением озона в воздухе, а озон — яд. Будьте осторожны при работе с высоким импульсным напряжением.

Так или иначе, на YouTube вы всегда найдете множество ярких демонстраций по запросам «генератор Маркса» и «MARX generator», где для построения моделей использованы полипропиленовые или керамические высоковольтные конденсаторы.

Источник

Портативный генератор Маркса

Среди различных высоковольтных генераторов огромную нишу занимают трансформаторы Теслы, однако это далеко не единственное достойное внимания устройство. В этой статье я опишу сборку портативного генератора Аркадьева-Маркса, питаемого всего лишь от одной «мизинчиковой» батарейки, но способного при этом выдавать разряды аж до 2 — 3 см. Вначале хотелось бы сказать несколько слов о том, что же это вообще такое.

Генератор Маркса — это разновидность импульсных накопительных установок, так называемый ГИН (Генератор Импульсных Напряжений), изобретённый Эрвином Марксом в 1924 году. Он работает по принципу умножителя напряжения, за счёт последовательного соединения заряженных высоким напряжением конденсаторов. В отличии от отечественной разработки (Генератор Аркадьева, изобретённый в 1914 году), генератор Маркса использует не механическую коммутацию, а бесконтактную, через электрический разряд в искровом промежутке. Генератор Маркса работает исключительно на постоянном токе, причём требует достаточно высоких напряжений: даже самые маленькие конструкции, вроде моей, требуют не менее 6 кВ. Описывать сборку я буду последовательно, дабы не запутать читателя.

Первая часть. Низковольтная. Эта часть схемы представляет собой обычный блокинг-генератор и высокочастотный повышающий трансформатор. Эта система призвана преобразовать постоянное напряжение батарейки на 1.5 Вольта в 1.5 — 3 кВ переменного, высокочастотного напряжения. Схема устройства невероятно простая и много раз была опубликована на Сайте в том или ином виде. Эта часть устройства, по сути, была приобретена на AliExpress в виде комплекта для сборки. То есть мне не пришлось ни мотать трансформатор, ни подбирать детали (в комплекте уже был транзистор D880Y, диод UF4007 и резистор на 120 Ом). Единственное, что здесь я добавил от себя — удалил диод между базой транзистора и резистором. Оригинальная схема, взятая со страницы продавца:

Моя схема выглядит так же, только в ней отсутствует диод, поэтому приводить её здесь я не буду. Комплект выглядит так:

Считаю необходимым отдельно показать трансформатор крупным планом:

На AliExpress это не единственный вид миниатюрный импульсных высоковольтных трансформаторов, однако, как показал мой личный опыт, вышеприведённый трансформатор работает лучше всех других, да и выглядит серьёзнее.

После сборки, первая часть должна выдавать дугу примерно 2 — 3 мм. Дуговой разряд непрерывен, а значит не создаёт никаких звуков, кроме тихого высокочастотного пищания.

Читайте также:  Озоновый генератор для автомобиля

Теперь у нас есть возможность получить 2 — 3 кВ высокочастотного переменного тока от одной мизинчиковой батарейки (при сборке навесным монтажом, использовалась пальчиковая батарейка, но после сборки на плату, она была заменена на мизинчиковую).

Вторая часть. Высоковольтная. Эта часть, по сути, представляет из себя простой учетверитель напряжения, собранный по стандартной схеме. Его схема:

Умножитель напряжения в результате оказался достаточно крупным, однако обойтись без него просто невозможно: выходное напряжение с трансформатора переменное и достаточно низкое, не превышающее 3 кВ, а для генератора Маркса, как было сказано выше, требуется исключительно постоянное напряжение не ниже 6 кВ. Конденсаторы умножителя самые стандартные, из Чип и Дип, керамика. 680 пФ x 15 кВ. Они имеют небольшой размер и выглядят так:

В качестве диодов были взяты высоковольтные выпрямительные столбы КЦ106Г. Они использовались в умножителях напряжения строчной развёртки советских цветных телевизоров. Выглядят так:

Подключаем собранный умножитель к низковольтной части и запускаем.

Умножитель должен давать разряд примерно 5 — 8 мм. Брать промежуток более 9 мм крайне не советую: напряжение холостой работы преобразователя достаточно высокое, и может привести к пробою диода или конденсатора в умножителе.

На этом этапе уже можно говорить о том, что генератор Маркса можно запитать от батарейки, во всяком случае, напряжения для этого уже достаточно.

Третья часть. Генератор Маркса. Теперь началось самое интересное. Сборка непосредственно генератора Маркса. Нужно отметить, что это самая нудная часть, так как она потребует максимальной аккуратности и большого объёма пайки. Как было упомянуто выше, генератор будет иметь 9 ступеней. Чисто теоретически, он должен умножать входное напряжение в 9 раз. Простейшие расчёты показывают, что: выходное напряжение умножителя составляет 2 * 4 = 8 кВ в среднем, а выходное напряжение генератора Маркса составляет 8 * 9 = 72 кВ. К сожалению, на практике напряжение не достигнет таких значений по нескольким причинам. Во-первых, напряжения в 8 кВ вполне достаточно для коронных разрядов и стекания напряжения. Эти процессы не видны глазом, однако именно они приводят к очень большим потерям в любых высоковольтных устройствах, начиная от тех-же самоделок и заканчивая высоковольтными ЛЭП. Во-вторых, серьёзные потери существуют на разрядниках и незначительные на резисторах также в момент разряда. Суммарно это даёт не менее 50% энергии «на ветер». Кроме того, напряжение в 72 кВ способно пробить до 72 мм воздуха, что означает пробой всей системы практически по диагонали, поэтому допускать такого напряжения просто нельзя. Схема генератора стандартная. Ниже приведу схему на шесть ступеней.

Конденсаторы имеют ёмкость в 330 пФ, напряжение 15 кВ. Резисторы — 100 кОм, 2 Вт. Возникает логичный вопрос: зачем нужна такая конская мощность резисторов? На самом деле, нужна не мощность, а их большие размеры, которые как раз вызваны большой мощностью. В интернете полно различных конструкций, но во всех освещаются проблемы пробоя резисторов. Эти проблемы решаются всеми по — разному: кто — то использует самодельные жидкостные резисторы, кто — то вообще сырые ветки дерева. Один из способов — увеличение размеров резисторов, что позволяет повысить их электрическую прочность.

Для начала была собрана установка на 5 ступеней. Результат её работы меня сильно порадовал.

Однако пяти ступеней оказалось всё же маловато, поэтому были добавлены ещё пять ступеней, одна из которых в готовое устройство не вошла. Десять ступеней давали уже весьма внушительный результат.

Разряд достиг длины около 35 мм. Разрядники требуют точной настройки: все искровые промежутки должны быть строго одинаковыми, а самый первый — чуть — чуть меньше остальных. На фотографии видно, что мне пришлось держать один из разрядников деревянной палкой, так как он не был жёстко зафиксирован (как, собственно, и другие) и постоянно болтался, нарушая работу системы.

Читайте также:  Генератор валео рено сценик

Цель достигнута, генератор работает, однако в таком виде он занимает пол стола. Следующим шагом стала реализация печатной платы для этого чуда.

Печатная плата. Печатная плата будет весьма необычной: она будет не двумерная, привычная, а трёхмерная. Каскады генератора Маркса будут собраны в виде башни, как это делается практически во всех конструкциях, а батарейка, блокинг — генератор и умножитель — на одной плоскости на главной плате.

Башня делается таким образом: между двумя одинаковые пластинами фольгированного текстолита располагаются конденсаторы и разрядники. Резисторы устанавливаются с противоположных сторон плат.

Отпиливаем две одинаковые пластины текстолита. У меня они имели ширину около 3 см, высоту — около 8.5 см.

Затем с помощью напильника делаем пропил шириной около 1 см так, как показано на фотографии:

Затем размечаем плату и сверлим отверстия.

После — отрисовка дорожек специальным маркером.

Травим в растворе хлорного железа.

После травления смываем маркер с плат.

После этого платы нужно тщательно промыть в тёплой воде с мылом. Можно приступать к лужению.

После лужения остаются следы канифоли. Их необходимо смыть, так как они не только ухудшают внешний вид устройства, но и могут ухудшить электрическую прочность системы. Обычно это делают чистым медицинским спиртом, однако с этой задачей блестяще справляется растворитель № 646.

Теперь распаиваем компоненты. Сначала конденсаторы.

Теперь башня готова! Следующий этап — изготовление базовой платы, на которую будет крепиться сама башня и все остальные детали. Размеры платы — 5.5 x 8.5 см. После отпиливания, прикинул расположение деталей:

Теперь рассверливаем отверстия и по отверстиям отрисовываем дорожки на обратной стороне платы специальным маркером.

Затем травим плату.

Последующие действия аналогичны тем, что проводились с первыми двумя платами: счищаем маркер, моем, облуживаем, смываем канифоль.

Приступаем к установке деталей. Сначала закрепим башню, это самое интересное.

Башня имеет 4 «ножки», в центрах которых расположены отверстия. В них вставляются маленькие кусочки медной жилы, а затем это всё обильно заливается припоем.

После этого устанавливаются все остальные компоненты.

Теперь устройство почти готово, осталось только покрыть его высоковольтным лаком, чтобы минимизировать стекание заряда. Я для этого использую лак — цапон. Советую брать лак питерского производства, так как он сохнет очень быстро и имеет очень слабый запах, в отличии от аналогичных лаков других производителей, сделанных по ГОСТу. После того, как лак просохнет, можно приступать к тестированию!

Схема получившегося устройства:

Все номиналы были описаны в статье, кроме того, их можно найти в списке компонентов в конце статьи.

Несколько слов о безопасности.

При разработке данного устройства, я постарался сделать его максимально безопасным как для человека, так и для различного электронного оборудования, однако, по понятным причинам, риск всё — же велик. Генератор Маркса генерирует достаточно высокое напряжение, поражение которым вполне может обернуться трагическими последствиями для людей с больным сердцем, поэтому не следует пренебрегать техникой безопасности! При разряде, установка создаёт мощные электромагнитные колебания, которые могут привести к сбоям либо выходу из строя различной чувствительной электроники (например, телефон или компьютер), поэтому при запуске необходимо убедиться в том, что все устройства находятся на расстоянии не менее 20 см от установки. После отключения установки, конденсаторы сохраняют опасный заряд на некоторое время, поэтому после отключения необходимо закоротить куском заизолированного провода каждый конденсатор схемы, иначе первое же прикосновение к устройству даст мощный «заряд бодрости».

На этом у меня всё, желаю всем удачи!

Источник