Générateur de Van de Graaff

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Un générateur de Van de Graaff est une machine électrostatique inventée par Robert Van de Graaff au début des années 1930. Elle utilise le mouvement d'une courroie de caoutchouc pour accumuler des charges sur une boule métallique fixe et creuse. Le dispositif permet d'atteindre des tensions très élevées, avec des différences de potentiel de l'ordre de 5 megavolts sur les générateurs modernes. La nécessité d'obtenir des tensions élevées intervient dans plusieurs applications : tube à rayons X, stérilisation de la nourriture ou expérimentations physiques.

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.

[modifier] Description

Sous sa forme la plus simple, le générateur de Van de Graaf consiste en une courroie en latex ou en soie, elle doit être faite à partir d'un matériau isolant. Son mouvement est assuré par deux poulies. L'une d'entre elles, le plus souvent en plexiglass, est entourée d'une sphère métallique creuse. L'autre poulie est en métal. En général, la boule se trouve au sommet d'une colonne qui contient la poulie et dont la base renferme le moteur qui actionne l'autre tambour et fait tourner courroie. Il existe également des générateurs horizontaux, notamment ceux qui produisent des tensions très élevées et nécessitent des boules de grande taille.

Deux électrodes coniques et pointues, E1 et E2, sont placées respectivement juste en dessous de la poulie et à l'intérieur de la sphère. E2 est connectée à la boule 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 qui touchent la courroie 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 ^[1]. Cette valeur théorique n'est pas atteinte en pratique à cause des imperfections du système (surface irrégulière, pertes, etc.)