Un generatore Van de Graaff utilizza la triboelettricità – la creazione di una carica elettrica attraverso due diversi materiali che sfregano insieme, spesso indicata come elettricità statica – per generare una grande differenza di potenziale che può produrre una scarica ad alta tensione. La macchina è stata sviluppata dal Dr. Robert J. Van de Graaff nei primi anni ‘1930, sebbene fosse preceduta da una serie di dispositivi che funzionavano su principi simili. Il “motore” del generatore Van de Graaff utilizza due rulli di materiali diversi – solitamente metallo e plastica – collegati da una cinghia in gomma o altro materiale isolante, sospesi verticalmente tra loro e azionati da un motore. Un pettine metallico, fissato a terra, è posizionato con i denti rivolti verso il rullo inferiore. Nella parte superiore del generatore, è posizionato in modo simile un altro pettine metallico, con i denti vicini al rullo superiore, e collegato a una cupola metallica.
Se il rullo superiore è in metallo e il rullo inferiore in plastica, lo sfregamento del nastro contro il rullo in plastica farà sì che gli elettroni vengano strappati dalla plastica sul nastro, in modo che si accumuli una carica negativa sul nastro mentre il rullo rimane con una carica positiva. Gli elettroni del pettine inferiore sono attratti dal rullo caricato positivamente e alcuni salteranno verso di esso, ma gli è impedito di raggiungerlo dal nastro isolante, che acquisisce quindi una carica negativa ancora maggiore. Nella parte superiore del dispositivo, gli elettroni nel pettine si allontanano dalla cintura caricata negativamente e sulla cupola metallica, per essere sostituiti da elettroni dalla cintura. Pertanto, c’è un trasferimento continuo di elettroni dal rullo inferiore – attraverso la cintura e il pettine superiore – alla cupola metallica, che acquisisce una grande carica negativa. Se le posizioni dei rulli sono invertite, la cupola acquisisce una carica positiva.
La forma a cupola della parte superiore del generatore Van de Graaff è ideale per ottenere una distribuzione uniforme della carica e massimizzare il potenziale. Bordi taglienti, punte o irregolarità possono causare la dispersione della carica nell’aria. Questo è il motivo per cui vengono utilizzati i pettini di metallo: i denti consentono agli elettroni di viaggiare facilmente da o verso il pettine per ottenere un grande accumulo di carica sulla cupola. Il prototipo del generatore utilizzava un barattolo di latta invece di una cupola, ma questo fu presto migliorato.
I generatori Van de Graaff si trovano comunemente nei laboratori di fisica delle scuole e delle università: questi possono generare potenziali differenze di oltre 100,000 volt. Una dimostrazione popolare consiste nel far rizzare i capelli degli studenti volontari quando toccano la cupola; i peli acquistano la stessa carica e si respingono. Questo tipo di generatore può anche generare scintille abbastanza consistenti quando gli elettroni saltano su un oggetto vicino. Puntando un dito vicino alla cupola, una scintilla lunga diversi pollici può essere fatta saltare tra la cupola e il dito, provocando una lieve scossa elettrica. Sebbene questi dispositivi possano generare tensioni molto elevate, la corrente è troppo piccola per rappresentare un rischio.
È possibile costruire generatori che producono tensioni molto più grandi. Un grande generatore Van de Graaff può produrre una differenza di potenziale di milioni di volt. Il più grande generatore dimostrativo mai costruito è alto 40 m e può generare differenze di potenziale di 12.19 milioni di volt o più, producendo scintille simili a fulmini lunghe diversi piedi.
Anche i generatori Van de Graaff hanno applicazioni serie. A volte vengono utilizzati per generare le enormi tensioni richieste per gli acceleratori di particelle che vengono utilizzati per studiare le forze fondamentali della natura. Un generatore Van de Graaff gestito dall’Australian National University per questo scopo produce una differenza di potenziale di 15 milioni di volt.