Ein Van-de-Graaff-Generator verwendet Triboelektrizität – die Erzeugung einer elektrischen Ladung durch das Aneinanderreiben zweier verschiedener Materialien, die oft als statische Elektrizität bezeichnet wird –, um eine große Potenzialdifferenz zu erzeugen, die eine Hochspannungsentladung erzeugen kann. Die Maschine wurde in den frühen 1930er Jahren von Dr. Robert J. Van de Graaff entwickelt, obwohl ihr eine Reihe von Geräten vorausgingen, die nach ähnlichen Prinzipien arbeiteten. Der „Motor“ für den Van de Graaff-Generator verwendet zwei Rollen aus unterschiedlichen Materialien – meist Metall und Kunststoff –, die durch einen Riemen aus Gummi oder einem anderen isolierenden Material verbunden, vertikal zwischen ihnen aufgehängt und von einem Motor angetrieben werden. Ein geerdeter Metallkamm wird so positioniert, dass die Zähne der unteren Walze zugewandt sind. An der Oberseite des Generators ist ein weiterer Metallkamm ähnlich positioniert, mit den Zähnen nahe der oberen Walze und mit einer Metallkuppel verbunden.
Wenn die obere Walze aus Metall und die untere Walze aus Kunststoff besteht, führt das Reiben des Bandes an der Kunststoffwalze dazu, dass Elektronen vom Kunststoff auf das Band abgestreift werden, so dass sich auf dem Band eine negative Ladung aufbaut, während die Walze belassen wird eine positive Ladung. Elektronen vom unteren Kamm werden von der positiv geladenen Walze angezogen und springen teilweise auf sie zu, werden aber durch das Isolierband daran gehindert, sie zu erreichen, das dann noch stärker negativ geladen wird. An der Oberseite des Geräts bewegen sich Elektronen im Kamm vom negativ geladenen Gürtel weg und auf die Metallkuppel, um durch Elektronen aus dem Gürtel ersetzt zu werden. So findet ein kontinuierlicher Elektronentransfer von der unteren Walze – über das Band und den oberen Kamm – auf die Metallkuppel statt, die eine große negative Ladung erhält. Werden die Positionen der Rollen vertauscht, wird die Kuppel positiv geladen.
Die Kuppelform der Oberseite des Van-de-Graaff-Generators ist ideal, um eine gleichmäßige Ladungsverteilung zu erreichen und das Potenzial zu maximieren. Scharfe Kanten, Spitzen oder Unregelmäßigkeiten können dazu führen, dass die Ladung in die Luft entweicht. Aus diesem Grund werden Metallkämme verwendet – die Zähne ermöglichen es den Elektronen, leicht zum oder vom Kamm zu gelangen, um einen großen Ladungsaufbau auf der Kuppel zu erreichen. Der Prototyp-Generator verwendete eine Blechdose anstelle einer Kuppel, die jedoch bald verbessert wurde.
Van-de-Graaff-Generatoren sind häufig in Physiklabors von Schulen und Hochschulen zu finden: Diese können Potenzialunterschiede von über 100,000 Volt erzeugen. Eine beliebte Vorführung besteht darin, dass sich die Haare der freiwilligen Studenten beim Berühren der Kuppel zu Berge stehen; die Haare nehmen die gleiche Ladung auf und stoßen sich gegenseitig ab. Dieser Generatortyp kann auch ziemlich starke Funken erzeugen, wenn Elektronen auf ein nahegelegenes Objekt springen. Wenn Sie mit einem Finger nahe an die Kuppel zeigen, kann ein bis zu mehreren Zoll langer Funke zwischen Kuppel und Finger überspringen, was zu einem leichten elektrischen Schlag führt. Obwohl von diesen Geräten sehr große Spannungen erzeugt werden können, ist der Strom zu klein, um eine Gefahr darzustellen.
Es ist möglich, Generatoren zu bauen, die viel größere Spannungen erzeugen. Ein großer Van-de-Graaff-Generator kann eine Potenzialdifferenz von Millionen Volt erzeugen. Der größte jemals gebaute Demonstrationsgenerator ist 40 m hoch und kann Potenzialunterschiede von 12.19 Millionen Volt oder mehr erzeugen, wodurch blitzartige Funken von mehreren Fuß Länge erzeugt werden.
Van de Graaff-Generatoren haben auch ernsthafte Anwendungen. Sie werden manchmal eingesetzt, um die enormen Spannungen zu erzeugen, die für Teilchenbeschleuniger erforderlich sind, mit denen die fundamentalen Kräfte der Natur erforscht werden. Ein zu diesem Zweck von der Australian National University betriebener Van de Graaff-Generator erzeugt eine Potentialdifferenz von 15 Millionen Volt.