Генератор Маркса та його використання
Генератором Маркса називається пристрій для отримання високовольтних імпульсних розрядів, заснований на принципі паралельної зарядки декількох високовольтних конденсаторів до високої напруги, з подальшим з'єднанням цих заряджених конденсаторів в послідовний ланцюг, в результаті такого складання виходить іскровий електричний розряд при напрузі більшій, ніж напр кількості конденсаторів у ланцюзі.
Заряджання конденсаторів паралельно здійснюється через високоомні (мегаомні) резистори, а послідовне з'єднання стає можливим завдяки використанню газових (повітряних) розрядників або тригатронів.
Коли конденсатори заряджені до високої напруги, спрацьовує перший розрядник, він виступає в ролі тригера, і для його активації іноді використовують ініціювальний розряд від додаткового джерела або просто короткочасно зближують його власні електроди. Коли перший розрядник спрацював, перенапруга, що виникла в ланцюгу, змушує тут же спрацювати і всі інші розрядники, так виходить послідовне з'єднання і замикання через повітря ланцюга заряджених конденсаторів.
Так, за допомогою генераторів Маркса одержують імпульсні розряди з напругою від кількох десятків кіловольт до десятків мегавольт. Частота генерованих імпульсів (розрядів) залежить від потужності зарядного джерела високої напруги та від енергії в одиничному імпульсі.
Типовий для генераторів Маркса діапазон частот одержуваних імпульсів - від кількох розрядів за годину до десятків герц. Енергія одного імпульсу може вимірюватися як десятками мегаджоулів, так і частками джоуля, залежно від ємностей конденсаторів, що застосовуються івід напруги, що отримується в імпульсі.
В інтернеті можна знайти багато прикладів успішних реалізацій аматорських версій генераторів Маркса, особливо вони популярні у США та Європі.
Дана схема для отримання імпульсів високої напруги була вперше запропонована в 1924 Едвіном Отто Марксом (1893-1980) - німецьким інженером. Винахідник побудував першу модель у 1926 році. На території колишнього СРСР генератори Маркса називають ще генераторами Аркадєва - Маркса, або Маркса - Аркад'єва, а також Аркадєва-Бакліна-Маркса.
Справа в тому, що ще в 1914 році Володимир Костянтинович Аркадьєв спільно з Миколою Васильовичем Бакліним побудували перший на території України генератор блискавок, який працював на принципі послідовного з'єднання заряджених паралельно конденсаторів, тобто ще до Маркса принцип був освоєний в Україні. Однак Аркадьєв і Баклін з'єднували конденсатори механічно, а не через розряди, як це запропонував робити Маркс через 10 років.
Невеликі лабораторні генератори з вихідною напругою до 200 кВ виконуються з повітряною ізоляцією. Більш потужні — з вакуумною ізоляцією або з газовою, наприклад, елегаз. Може застосовуватись і олія для усунення витоків внаслідок коронування на відкритих ділянках провідників.
Якщо застосовують вакуум, газ або масло, то генератор, як правило, повністю поміщають у ємність, заповнену маслом або у вакуумовану камеру герметичну, або в камеру з газом. Часто ізолюють конденсатори та резистори, але розрядники виводять на повітря.
В якості розрядників можуть бути використані повітряні розрядники на 100 кіловольт і струм до мегаампера, або вакуумні розрядники, ігнітрони, навіть водневі тиратрони, незважаючи на дорожнечу і т. д. Для зниження втрат замістьрезисторів іноді ставлять дроселі високої добротності або роблять рідинні резистори. Іноді виготовляють конденсатори на основі деіонізованої води.
Головним недоліком генератора Маркса, як джерела імпульсів високої напруги, є необхідність встановлення великої кількості ступенів конденсаторів і, відповідно, комутуючих розрядників, а це сильно погіршує питомі енергетичні характеристики конструкції, масо-габаритні параметри та ККД.
Чому так відбувається? У першу чергу при розряді мають місце втрати в діелектриці конденсаторів і повітряних проміжках, зокрема, опір каналу головного розрядного проміжку велике, а це - опір навантаження.
Щоб знизити втрати необхідно створити іскровим розрядникам, що комутують, умови підвищеної міцності навколишнього газу під тиском, застосовувати конденсатори високої добротності, покращувати ініціювання стартового пробою, щоб фронт вийшов більш крутим.
Говорячи про застосування високовольтних генераторів Маркса не можна назвати дослідницькі напрями у науці, яких безліч. Різноманітні технічні завдання вимагають значних струмів та високих напруг. Ще за часів Ігоря Васильовича Курчатова генератори Маркса допомагали в ядерних дослідженнях для надання високих швидкостей елементарним часткам та ініціювання реакцій.
Завдяки генераторам Маркса накачують квантові генератори, досліджують поведінку плазми та імпульсні випромінювання, будують засоби радіоелектронної боротьби, електрогідравлічним способом обробляють метали, дроблять ґрунти та ущільнюють бетонні суміші.
Іноді об'єднують пару генераторів Маркса для отримання високого потенціалу з метою зарядити відносно ємні конденсаторималоступінчастого генератора, і отримати таким чином порівняно невисокий потенціал, але тривалий струмовий імпульс.
Генератор Маркса є смертельно небезпечним для людини пристроєм. Без спеціальної підготовки не слід намагатися його побудувати, це може призвести до травм і навіть смерті. Перш ніж торкнутися генератора Маркса, переконайтеся, що всі конденсатори розряджені. Розряди генератора Маркса є потужним джерелом ультрафіолетового випромінювання, крім того, супроводжуються виділенням озону в повітрі, а озон — отрута. Будьте обережні під час роботи з високою імпульсною напругою.
Так чи інакше, на YouTube ви завжди знайдете безліч яскравих демонстрацій на запити «генератор Маркса» та «MARX generator», де для побудови моделей використані поліпропіленові або керамічні високовольтні конденсатори.