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GENERATEUR VAN DE GRAAFF


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Photo : CERN

Electrode terminale sur une colonne isolante.

Van de Graaff generator
Realisation Pete Miller - Photo John William
E Gartner - Schema de principe

Cette page est consacree au generateur electrostatique Van de Graaff ( VDG) . Son inventeur est le Dr Robert Van de Graaff (biographie , histoire) qui cherchait a produire de l'electricite statique a tres haute tension dans les annees 1931-1933.( Brevet US 1.991.236) C'est a l'Universite de Princeton, dans le New Jersey  que cet outil scientifique (Statitron ) a ete conçu et realise par MM. Van de Graaff, Compton et Van Atta. Cette invention a permis la construction des accelerateurs de particules et des avancees en physique nucleaire. Dans les musees des sciences elle permet de faire des demonstrations d'electrostatique et son interet pedagogique merite d'etre souligne. Les premiers modeles etaient de taille gigantesque. Ils atteignaient une tension de l'ordre de 2 à 2.5 MV avec le sol, valeur imposante pour l'epoque.

The original Van de Graaff Generator was designed an built by Dr. Robert J. Van de Graaff ( Patent US 1,991,236), around the early 1930's. Dr. Van de Graaff was looking for a way of creating a direct current, high voltage power source. His invention made the research into atomic physics as we know it possible, as the "Van de Graaff Generator" (as it has come to be known), was the high energy source for nuclear accelerators (ie: Atom Smashers) .

3 poulies
                - 3 pulleys
Poulies superieures et peignes collecteurs dans VDG geant non pressurise
Upper combs and pulleys in the terminal ( non pressurised giant VDG)


A - LES MODELES :

1) Description du modele auto excite : ( the self-excited Van de Graaff)

  C'est un "Electrophore a service continu" , une machine electrostatique dite "d'addition ". Le principe a ete indique par lord Kelvin , repris par Volrath et considerablement ameliore par R. J. Van de Graaff .

Lorsqu'on apporte des charges electriques a un conducteur isole, le potentiel de celui-ci s'accroit. (Michael Faraday)

  Une sphere metallique creuse (cylindre de Faraday) (Faraday's icepail) , supportee par une colonne isolante, reçoit , sur sa face interne, des charges electriques prelevees par un peigne conducteur sur une courroie sans fin de caoutchouc ( ou un autre materiau isolant) , en mouvement. La courroie se deplace rapidement, dans la colonne isolante, entre 2 galets cylindriques paralleles, l'un en metal et l'autre en plastique. Dans ce modele *auto excite* , nulle source d'energie autre que celle qui alimente le moteur electrique de la poulie inferieure.Les charges sont generees par effet tribo-electrique lorsque la courroie se separe de la poulie. La sphere terminale se charge par addition de charges a sa surface externe.Le potentiel s'accroit mais atteint une limite en raison de l'effet Corona ( effet de couronne ou decharge silencieuse). La difference de potentiel est directement en rapport avec le rayon de la sphere.

La tension maximum qui peut etre atteinte avec un Van de Graaff est fonction de la forme et des dimensions de l'electrode a haute tension et de la qualite d'isolement par rapport a d'autres objets environnements mis a la terre.

La forme spherique est la plus favorable car elle permet d'eviter toute pointe autour de laquelle pourraient avoir lieu des decharges.

Le champ electrique cree par la sphere s'oppose a la montee des charges vers elle, il s'oppose au mouvement de la courroie, il faut donc fournir un travail pour faire tourner la courroie et ce travail apparait sous forme d'energie electrique.

First, is the self-excited type.This is the most common and is likely what people think of when a Van de Graaff is mentioned. A self excited generator works on the principal of the "Tribo Electric" effect. This term refers to what happens when two different materials come together and are then pulled apart. The generator consists of a well rounded high voltage terminal isolated from ground on an insulating column, and a charge conveying system consisting of one or more flat endlessbelts of insulating material running between this terminal and ground. Electric charge is transported by the belt into the hollow terminal, where it is removed. The maximum voltage which can be maintende on the terminal depends only on its geometry and the dielectric strength of surrounding insulating medium.

2) Description du modele avec ionisateur : (the "Pumped" or "Sprayed" Van de Graaff)

Les deux galets cylindriques sont en metal.Une source de courant continu G de 5 a 10 kV charge le peigne inferieur ( ioniseur de charge b ) avec une tension negative.Le peigne inferieur est ionise par le champ  Eba qui s'etablit entre lui et le galet mis a la terre. Les charges positives sont transportees par la bande transporteuse isolante vers le haut de l'appareil. Double charge : Le deuxieme galet ( a', dans la sphere) est porte a un potentiel superieur a celui de l'electrode spherique a l'aide d'une resistance (r1 ), qui relie le peigne ioniseur  b' a cette electrode. Le peigne ioniseur de debit b" , qui se trouve sensiblement au meme potentiel que l'electrode spherique, recharge la courroie avec de l'electricite de signe oppose.

Le processus etant continu le potentiel a vide de l'electrode spherique va en s'accroissant, jusqu'au moment où elle atteint la valeur maximum , c-a-d jusqu'a ce que la rigidite dielectrique de l'air  ( 5 a 30 kV / cm ) entraîne une perte egale a la charge accumulee sur la sphere. Les modeles industriels sont enfermes dans un reservoir sous pression où l'air est remplace par du SF6 ( hexafluorure de soufre ) comprime a quelques dizaines d'atmospheres. Le risque d'electrocution lie a la presence d'une source de haute tension continue rend ce modele impropre aux demonstrations scolaires.

The second type of generator is the "Pumped" or "Sprayed" system. A high voltage power supply deposits electrons on the moving belt. The electrons are then carried up to the discharge globe.It uses all-metal rollers and a DC high-voltage power supply. High voltage power supplies present a shock hazard or even electrocution hazard, so safety concerns make them inappropriate in a kid's science project. They are useful for professional lecture-demo Van de Graaffs, for Van de Graaff's with extremely high output current, and for Van de Graaff's which must be operated in high humidity conditions. Pick a supply which can put out several times more current than your belt will be transporting. A 1" motorized belt might give between 5 and 50 microamps, so the power supply should be capable of several hundred µA, otherwise the 50 µA draw will reduce the supply voltage too much. A very wide, very fast belt on a huge Van de Graaff might require 1mA, so the high voltage supply should be rated even higher. If your design requires a dangerous high-volt supply, install a large-value resistor in series with each collector comb at the top and bottom of your Van de Graaff. 

Within the high voltage terminal a second source of corona spray voltage may be used to neutralize the charge brought up and to charge the descending run of belt with opposite polarity. A simple self inducing arrangement may also be used to perform the function. This is accomplished by insulating the upper pulley a' and maintening it at a potential higher than the terminal by requiring the charge from the collector and pulley to flow through a resistance r1.The resistance between the upper pulley and the terminal is so adjusted in value that the current carried on the downward run of belt corresponds approximately to the current arriving on the ascending run. Thus both belt runs can be effective in transferring charge continuously between ground and high voltage terminal.


Van de Graaff electrostatic accelerators - Les accelerateurs electrostatiques de type Van de Graff :

page 2 ( Histoire , History )
page 3 ( Exploration du systeme de charge : courroies et chaines - Charging Systems

Small didactic Van de Graff - Les Van de Graff de demonstration 

page 4 ( Hobby, homemade VDG)

           ( References , liens externes , Bibliographie , Brevets , Links , Patents )


PAOLO BRENNI'S ARTICLE on Van de Graaff  machine (English)

Une machine electrostatique pour le XX eme siecle


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1999 , 2013 © Lyonel Baum