可以確定一件事：如果你對(duì)高壓電感興趣，那么你就來(lái)對(duì)了地方；馬克思發(fā)生器可以滿足你對(duì)電火花、重?fù)艉驼鸷车目释?。這個(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(lái)的刺激。

 

現(xiàn)在，我用這篇來(lái)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(duì)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(duì)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。

 

 

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）?，F(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(guó)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(méi)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(duì)我和你并沒(méi)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(qǐng)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。

 

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(kù)（C）。電荷在電、磁場(chǎng)中相互作用，磁場(chǎng)只對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷有影響，而電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(kù)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?cè)诜治鰰r(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(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)（法拉第定律），而變化的電場(chǎng)同樣會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（麥克斯韋安培定律）。從麥克斯韋方程組可看出電與磁的對(duì)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(guò)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(kù)倫（J/C），換句話說(shuō)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(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量，單位為庫(kù)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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?，阻抗的大小與電抗元件（電容、電感）的容抗與感抗有關(guān)。

 

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(guò)物理定律來(lái)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(guò)，電阻是增加電流通過(guò)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(zhǎng)度的乘積除以橫截面積。電阻、電阻兩端電壓以及通過(guò)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(lái)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(chǎng)強(qiáng)度與電極表面電荷密度成正比，由于電荷的聚集，電場(chǎng)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(chǎng)能量值等于0.5CU²。電容可通過(guò)RC電路充電，而且在充電過(guò)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(duì)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(shuō)，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(wú)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(chǎng)能量，電感的磁場(chǎng)作用類似于電容的電場(chǎng)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(guò)導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(lái)抵消磁場(chǎng)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(chǎng)是用來(lái)組織電流通過(guò)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(chǎng)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(zhǎng)，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(guò)電感的電流變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻礙電流通過(guò)的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)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(guò)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(méi)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(duì)換，在這里我們會(huì)用到升壓變壓器來(lái)提供電壓。

 

二極管：只允許電流單向通過(guò)，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(guò)。而反向擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正向壓降，反向電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)二極管會(huì)被損壞，而電流可反向通過(guò)（通常情況下這不是理想狀態(tài)）。但是，對(duì)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> [page] [page] [page]