Générateur de Van de Graaff - Définition
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Introduction
Un générateur de Van de Graaff est une machine électrostatique inventée par Robert Van de Graaff au début des années 1930 qui permet d'atteindre des tensions continues très élevées, mais des courants de faible intensité, avec des différences de potentiel de l'ordre de 5 à 10 mégavolts sur les générateurs industriels modernes. La nécessité d'obtenir des tensions élevées intervient dans plusieurs applications : expérimentations physiques où il est un composant d'un accélérateur de particules, alimentation d'un tube à rayons X. Le générateur utilise le mouvement d'une courroie isolante pour accumuler en continu des charges électriques sur une électrode terminale, typiquement une sphère métallique fixe et creuse.
Le terme de Statitron a été utilisé pour nommer l'accélérateur électrostatique que forme un générateur Van de Graaff lorsqu'il accélère des particules chargées dans un tube à vide. Ce terme n'a pas eu un grand succès dans les articles scientifiques où l'on écrit « accélérateur Van de Graaff » pour nommer cette première génération d'accélérateur de particules sans le suffixe -tron des machines plus puissantes (cyclotron, bevatron, synchrotron).
Le générateur peut être considéré comme une source constante de courant connectée en parallèle avec un condensateur et une résistance à la résistivité très grande.
Description d'un Van de Graaff didactique
Ses composants et les principes de son fonctionnement
Sous sa forme la plus simple, appareil de démonstration pédagogique, le générateur de Van de Graaff vertical comprend une courroie en latex ou en tissu isolant qui fait fonction de convoyeur de charges électriques. Son mouvement est assuré par deux poulies cylindriques. L'une d'entre elles, le plus souvent en Plexiglas (Polyméthacrylate de méthyle) ou en Téflon ou en Nylon , est dans la sphère métallique creuse.La sphère se trouve au sommet d'une colonne isolante qui contient la courroie. A la base du dispositif se trouve le moteur qui actionne la poulie motrice qui peut être en métal ou tournée dans un matériau isolant différent de celui de l'autre poulie.
Deux électrodes E1 et E2, sont placées respectivement juste en dessous de la poulie inférieure et à l'intérieur de la sphère. E2 est connectée à la sphère creuse et E1 permet d'obtenir un potentiel élevé par rapport à la terre. La différence de potentiel est en l'occurrence positive. Les deux électrodes sont munies de peignes ( pointes «corona» ) qui sont au plus près de la courroie, sans la toucher, et permettent le déplacement des charges.
Cette tension élevée ionise l'air près de la pointe de E1 ce qui permet de pousser les charges positives vers la courroie et de permettre leur déplacement sur la face interne de l'enveloppe sphérique. Cette charge positive sur la sphère induit une charge négative sur l'électrode E2. La forte différence de potentiel ionise l'air à l'intérieur de la sphère et les charges négatives sont repoussées sur la courroie, ce qui a pour effet de la décharger. Selon le principe de la cage de Faraday, les charges positives de E2 migrent vers la sphère indépendamment de la tension existante à sa surface. Comme la courroie continue à tourner, un courant constant arrive par ce moyen en direction de la boule qui continue de recevoir des charges positives. Ce chargement se poursuit jusqu'à un certain point qui dépend des caractéristiques de la sphère. Plus l'enveloppe sphérique est grande, plus son potentiel est élevé. Avec une surface parfaite pour la boule métallique, la tension maximale est de l'ordre de 30 kV pour chaque centimètre de rayon. Cette valeur théorique n'est pas atteinte en pratique à cause des imperfections du système (surface irrégulière, pertes, etc.)
A vrai dire l'électrostatique reste une science difficile et la positivité ou la négativité de l'électrode terminale sont difficilement contrôlables. Les séries triboélectriques devraient pouvoir permettre de prévoir la polarité de la sphère. En inversant les poulies ( Nylon / Téflon , métal / PVC ) , en changeant la nature de la courroie ( Nylon imprégné par du Vinyl , Tyvek polyéthylène ), on peut obtenir des inversions de polarité de l'électrode terminale. Des Van de Graaff non pressurisés jumeaux , mais de polarité opposée peuvent doubler théoriquement la différence de potentiel entre leurs sphères.
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Construction
Il est bien sûr possible de construire soi-même un petit générateur Van de Graaff, et pendant longtemps il n'y a pas eu d'autre possibilité pour les laboratoires de recherche. Le choix des matériaux est critique, les formes doivent être respectées : sphère métallique et tore métallique pour l'électrode terminale, supports ou colonne en plastiques non conducteurs, courroie en tissu ou en néoprène. Ce qui est remarquable avec cette machine c'est la possibilité d'un changement d'échelle de ses dimensions.Les meilleurs résultats sont obtenus avec une poulie en Nylon et une poulie en Teflon. La courroie peut être en latex ou en Nylon imprégné par du Vinyl. Les poulies cylindriques doivent pouvoir être correctement alignées pour que la courroie ne déraille pas. Les peignes collecteurs de charges peuvent être faits avec une grille métallique à mailles fines. Leur largeur est critique et ne doit pas dépasser la largeur de la courroie.
La colonne isolante peut être faite avec un tube en PVC ( Polychlorure de vinyle) vernis sur ses 2 faces (vernis Polyuréthane). Mieux encore dans un tube transparent en plastique acrylique (Polyméthacrylate de méthyle). Pour des machines de taille moyenne , il vaut mieux remplacer la colonne cylindrique par des supports très isolant en fibre de verre ou en composant verre/epoxy (FR-4).
