Un générateur Van de Graaff utilise la triboélectricité – la création d’une charge électrique par le frottement de deux matériaux différents, souvent appelés électricité statique – pour générer une grande différence de potentiel qui peut produire une décharge à haute tension. La machine a été développée par le Dr Robert J. Van de Graaff au début des années 1930, bien qu’elle ait été précédée par un certain nombre d’appareils qui fonctionnaient sur des principes similaires. Le moteur du générateur Van de Graaff utilise deux rouleaux faits de matériaux différents – généralement en métal et en plastique – reliés par une courroie en caoutchouc ou en un autre matériau isolant, suspendus verticalement entre eux et entraînés par un moteur. Un peigne métallique, relié à la terre, est positionné avec les dents tournées vers le rouleau inférieur. Au sommet du générateur, un autre peigne métallique est positionné de la même manière, avec les dents proches du rouleau supérieur, et relié à un dôme métallique.
Si le rouleau supérieur est en métal et le rouleau inférieur en plastique, le frottement de la courroie contre le rouleau en plastique entraînera l’enlèvement des électrons du plastique sur la courroie, de sorte qu’une charge négative s’accumule sur la courroie tandis que le rouleau est laissé avec une charge positive. Les électrons du peigne inférieur sont attirés vers le rouleau chargé positivement et certains vont sauter vers lui, mais sont empêchés de l’atteindre par la ceinture isolante, qui acquiert alors une charge négative encore plus grande. Au sommet de l’appareil, les électrons du peigne s’éloignent de la ceinture chargée négativement et se dirigent vers le dôme métallique, pour être remplacés par des électrons de la ceinture. Ainsi, il y a un transfert continu d’électrons du rouleau inférieur – via la courroie et le peigne supérieur – vers le dôme métallique, qui acquiert une grande charge négative. Si les positions des rouleaux sont inversées, le dôme acquiert une charge positive.
La forme en dôme du haut du générateur Van de Graaff est idéale pour obtenir une répartition uniforme de la charge et maximiser le potentiel. Des arêtes vives, des pointes ou des irrégularités peuvent entraîner une fuite de la charge dans l’air. C’est pourquoi les peignes métalliques sont utilisés – les dents permettent aux électrons de se déplacer facilement vers ou depuis le peigne pour obtenir une grande accumulation de charge sur le dôme. Le générateur de prototype utilisait une boîte de conserve au lieu d’un dôme, mais cela a rapidement été amélioré.
Les générateurs Van de Graaff sont couramment trouvés dans les laboratoires de physique des écoles et des collèges : ils peuvent générer des différences de potentiel de plus de 100,000 XNUMX volts. Une manifestation populaire consiste à faire dresser les cheveux des étudiants volontaires lorsqu’ils touchent le dôme ; les poils acquièrent la même charge et se repoussent. Ce type de générateur peut également générer des étincelles assez importantes lorsque les électrons sautent vers un objet proche. En pointant un doigt près du dôme, une étincelle pouvant atteindre plusieurs pouces de longueur peut sauter entre le dôme et le doigt, provoquant un léger choc électrique. Bien que de très grandes tensions puissent être générées par ces dispositifs, le courant est trop faible pour présenter un risque.
Il est possible de construire des générateurs qui produisent des tensions beaucoup plus importantes. Un gros générateur Van de Graaff peut produire une différence de potentiel de plusieurs millions de volts. Le plus grand générateur de démonstration jamais construit mesure 40 pieds (12.19 m) de haut et peut générer des différences potentielles de 5 millions de volts ou plus, produisant des étincelles ressemblant à des éclairs de plusieurs pieds de long.
Les générateurs Van de Graaff ont également des applications sérieuses. Ils sont parfois utilisés pour générer les énormes tensions requises pour les accélérateurs de particules qui sont utilisés pour étudier les forces fondamentales de la nature. Un générateur Van de Graaff géré par l’Université nationale australienne à cet effet produit une différence de potentiel de 15 millions de volts.