Ein Marx-Generator (benannt nach dem deutschen Ingenieur Erwin Otto Marx) ist eine elektronische Schaltung, die genutzt wird, um aus einer relativ niedrigen Eingangsspannung einen extrem kurzen, aber sehr hohen Hochspannungsimpuls (oft mehrere Millionen Volt) zu erzeugen.
Das Grundprinzip ist im Grunde ein genialer Trick der Schaltungstechnik und lässt sich in zwei Phasen unterteilen: Paralleles Laden und serielles Entladen.
Hier der Marx-Generator des Deutschen Museum in München (c) Deutsches Museum
1. Die Ladephase (Parallelschaltung)
Die Anlage besteht aus einer Reihe von Kondensatoren (elektrischen Energiespeichern). Diese sind über elektrische Widerstände an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Weil sie in dieser Phase parallel zueinander verkabelt sind, lädt sich jeder einzelne Kondensator langsam auf exakt die gleiche Eingangsspannung auf. Nennen wir diese Ladespannung $U$.Die Widerstände sorgen dafür, dass die Kondensatoren sich kontrolliert und voneinander getrennt aufladen.
2. Der Überschlag (Die Funkenstrecken)
Der eigentliche Clou der Schaltung sind die Funkenstrecken. Das sind kleine Luftspalte zwischen runden Metallelektroden, die zwischen den Kondensator-Stufen eingebaut sind. Normale Luft leitet keinen Strom. Solange geladen wird, wirken die Funkenstrecken also wie geöffnete Schalter. Die Kondensatoren sind voneinander isoliert. Sobald die Kondensatoren voll aufgeladen sind, wird ein Auslöser betätigt (oder die Spannung erreicht ein natürliches Limit), wodurch an der ersten Funkenstrecke die Luft plötzlich leitfähig wird. Ein Funke schlägt über.
3. Die Entladephase (Reihenschaltung)
Dieser erste Funke löst eine blitzschnelle Kettenreaktion aus. Der entstandene Funke (ein Plasma-Lichtbogen) ist extrem leitfähig und verbindet die Bauteile nun wie ein massives Stück Kabel. Bruchteile von Mikrosekunden später zünden auch alle anderen Funkenstrecken der Schaltung durch. Durch diese neuen, leitfähigen Verbindungen ändert sich die Schaltung schlagartig: Die Kondensatoren sind jetzt nicht mehr parallel, sondern in Reihe (hintereinander) geschaltet.
4. Die Spannungsvervielfachung
In der Elektrotechnik gilt: Schaltet man Spannungsquellen in Reihe, addieren sich ihre Werte. Wenn der Generator aus einer bestimmten Anzahl von Kondensatoren besteht, die alle auf die Eingangsspannung aufgeladen wurden, ergibt sich am Ausgang des Generators für einen winzigen Moment eine gewaltige Gesamtspannung.
Ein Rechenbeispiel: Wenn du 10 Kondensatoren parallel mit jeweils 50.000 Volt auflädst und sie dann durch das Zünden der Funkenstrecken schlagartig in Reihe geschaltet werden, erhältst du am Ausgang einen gewaltigen Impuls von 500.000 Volt.
Typische Anwendungsgebiete
Prüfung von Infrastruktur: Hersteller von großen Transformatoren, Hochspannungsleitungen und Isolatoren testen mit diesen künstlichen Blitzen, ob ihre Bauteile einem echten Blitzeinschlag standhalten. Wissenschaftliche Forschung: Marx-Generatoren liefern die nötige kurzzeitige, aber extreme Energie für Teilchenbeschleuniger, starke Röntgenblitze oder leistungsstarke Laseranlagen.
(c) Deutsches Museum