1 000 000 VOLTS

Générateur Van De Graaff 

Van de Graaff generator  / Bandgenerator




Deux générateurs Van de Graaff ( Frederic
        Graff )

Deux générateurs Van de Graaff fabriqués par un amateur

Photo F. Graff ©

Comment construire, en amateur,  un générateur Van de Graaff non pressurisé ?

La construction d'un générateur VDG semble facile car son schéma de fonctionnement est simple. Beaucoup d'amateurs bricoleurs se sont lancés avec des résultats très variables (voir les exemples sur YouTube ).  En réalité la construction n'est pas facile pour 3 raisons:

• Le choix des matériaux est critique pour une bonne triboélectrification : Nylon 66,  Téflon , PVC ,  bande transporteuse en Nylon imprégné Vinyl , Néoprène, Latex etc...

• Les composants sont difficiles à réunir (bande de transport de charges, poulies, sphère métallique ); il faut souvent les fabriquer ou les adapter.

• L'assemblage est difficile à réaliser mécaniquement ( il faut tourner les métaux et les plastiques, obtenir des couplages mécaniques bien équilibrés). Le moteur doit tourner vite, la bande doit rester centrée, les vibrations doivent être réduites au minimum.

Mais il ne faut pas hésiter à se lancer et commencer par construire un prototype que l'on améliorera par modifications successives.

Toutes les tailles et hauteurs sont théoriquement envisageables car tout peut être mis à l'échelle. Toutefois en pratique, il est nécessaire de respecter, autour du générateur, un espace libre d'au moins 4 fois le diamètre de la sphère collectrice. Il faut rester loin du plafond et de tout objet métallique pour éviter des décharges silencieuses voire une absence totale de charge. Dès que la colonne atteint 1,20 mètre et la sphère 0,50 mètre, nous trouvons à l'étroit.

Zap!

1) L'électrode métallique creuse, collectrice des charges:

Quel que soit le mécanisme de charge, la tension maximale théorique du système ne dépend que de la surface de la sphère (ou sphéroïde ou tore)  et de son isolation par rapport à la terre et par rapport à l'environnement.

La tension maximale théorique idéale sur une sphère est environ de 30 kV / cm de rayon ( pour D = 40 cm de diamètre : 20 *30 = 600 kV - pour D = 60 cm : 30 * 30 = 900 kV).  Cette valeur théorique n'est jamais atteinte car il faut déduire les inévitables pertes liées aux irrégularités de surface, décharges silencieuses, surtout au niveau de la découpe de l'orifice par ou passe la courroie transporteuse de charges.

En pratique, deux demi-sphères metalliques comme des saladiers en inox  peuvent faire l'affaire. Encore faut-il découper un orifice dans la demi sphère inférieure pour faire passer la courroie et fixer la colonne isolante. En revanche on trouve sur l'internet des sphères décoratives en inox léger , parfaitement usinées , souvent en 3 tailles et jusqu' à 50 cm de diamètre. Sur l'internet il suffit de rechercher Gazing balls

Des variantes sont possibles : entre les 2 demi-sphères il est possible de placer un cylindre ;  l'ensemble est électriquement convenable et l'on peut faire entrer dans ce volume une courroie plus large.

2) La colonne isolante :

3) La courroie :

Matériaux

Quelle épaisseur doit avoir la bande isolante ?

Largeur ?

Collage

Quelque soit le matériau utilisé,  il faut fabriquer une courroie sans fin, en collant les 2 extrémités.( pour le caoutchouc : Loctite ® type 401, Crazy Glue ©). Si vous superposez les 2 extrémités : couper et raccorder les extrémités en diagonale.

La courroie doit être très propre. En caoutchouc elle doit être lavée au Teepol ® ou avec un détergent pour la vaisselle. Bien rincer avec de l'eau distillée. Les surfaces de roulement et la colonne isolante doivent être nettoyées régulièrement à l'alcool à 60° puis a l'eau déminéralisée.

4) Les cylindres ( poulies )  :

Les surfaces des 2 poulies doivent être composées dans 2 matériaux différents, différents aussi du matériau de la courroie. Le Van de Graaff pédagogique classique utilise une courroie en caoutchouc, une poulie en métal et une poulie en matière plastique. Les 2 poulies et la bande forme le cœur du système auto-excité par effet triboélectrique. Les charges apparaissent car les matériaux en présence sont différents. Mises en contact puis séparées, leurs surfaces se chargent en raison d'un changement d'équilibre dans les couches électroniques externes de leurs atomes.

Matériaux favorisant les charges positives ( par ordre décroissant ) : verre , nylon , laine , cuir , aluminium, papier

Matériaux favorisant les charges négatives ( par ordre croissant) : coton, acier, bois, caoutchouc, cuivre, polyester, polyurethane, polypropylene, vinyl ( PVC), silicone , Téflon.

Si la poulie supérieure est en téflon et la poulie inférieure est en Nylon 66 , la séparation des charges se produit quand la courroie passe au dessus du roulement, ce qui a pour conséquence que des charges positives sont transportées vers le bas par la courroie laissant le roulement supérieur charge négativement. Par induction électrostatique, les charges positives sont enlevées de la courroie par le peigne inférieur qui est relié à la terre. Le roulement supérieur accumule une forte charge négative qui amène le peigne supérieur à diffuser des charges positives sur la courroie. Cela laisse la sphère chargée négativement. L'effet global est que des charges négatives sont continuellement transférées de la terre vers la sphère.

On peut trouver du Téflon , Nylon 66 en barres cylindriques. Il faudra fabriquer une poulie sans joue qui centre la courroie. On peut se contenter de coller au centre de la poulie 3 - 4 spires de plastique adhésif. Pour éviter l'errance de la courroie il faudrait pouvoir donner une forme légèrement "en barrique " aux cylindres. On peut aussi biseauter les bords.  Seul le matériau à surface de la poulie est important ( son noyau peut être en bois, en métal, en plastique). Les axes des cylindres devront être réglés ( et réglables) pour être bien parallèles et pour tendre la courroie.Pour un fonctionnement silencieux il est préférable d'utiliser des roulement a billes . Il faut composer avec les effets de la force centrifuge. Un cylindre de diamètre trop important risque de faire "décoller "la bande.

Un moteur électrique entrainera la poulie inférieure soit par couplage direct sur l'axe soit par l'intermédiaire d'une courroie motrice. Attention aux moteurs à balais a fibre de carbone qui peuvent créer un film conducteur de poussière de carbone sur la courroie. Le couplage direct peut se faire avec un tube en caoutchouc ou avec une transmission mécanique plus élaborée.

5) Les peignes ou balais de transfert  : rien ne vaut une grille métallique à mailles fines dont on enlevé quelques fils de trame.Il faudra fabriquer un support réglable de manière à amener les pointes a 1-2 mm de la bande, perpendiculaires à l'axe du cylindre. On peut remplacer les pointes par une lame métallique très fine.

6) L'ionisateur de courroie  :  si on choisit d'alimenter la courroie, 5 à 7 kV de courant continu a faible débit ( 500 - 1000 µA) peuvent être obtenus les blocs THT des photocopieurs électrostatiques. Il n'est pas nécessaire d'utiliser des voltages supérieurs si la colonne reste isolée en air ( mais  les voltages sont plus élevés dans les Van de Graaff pressurisés avec SF6). Les 2 poulies doivent être en métal ou être recouvertes d'aluminium adhésif.

7) Doubler le courant de charge : Le transport de la charge du bas vers le haut se fait sur une moitié de bande. Pourquoi ne pas utiliser les 2 moitiés pour placer des charges de signe opposé aux 2 extrémités du système ? On double ainsi le courant du générateur ( mais pas la tension ) qui devient moins sensible à l'humidité et on voit les décharges se faire plus rapidement. En utilisant des peignes supplémentaires sur la poulie supérieure en métal, on peut remplacer les sections de la bande neutralisées par les peignes principaux par des sections polarisées de signe inverse ( voir schéma de la page 1 et la photo ci dessous : le peigne latéral est relie a l'électrode par une chaine de résistances) .

Dome and doubler

Photo Finn Hammer ©

8) Conseils , trucs, précautions : La colonne doit avoir une hauteur 3 à 4 fois le diamètre de l'électrode sphérique  collectrice qui doit être éloignée d'au moins 4 fois son diamètre de tout objet métallique.La colonne en PVC doit être soigneusement nettoyée avec de l'alcool. Si possible il faut vernir ses 2 faces avec un vernis isolant ( GE Glyptal , polyuréthane) pour prévenir les fuites silencieuses. L'électrode inférieure, reliée à la terre , doit avoir le 1 / 3 des dimensions de l'électrode supérieure. Sécher toutes les éléments de la machine avant le fonctionnement ( sèche-cheveux). Repérer les fuites silencieuses en actionnant le générateur dans l'obscurité ( lumière violette de l'effet corona). Traiter le problème avec de la colle époxy ou du gel de silicone.



Sites Van De Graaff  ou d' Electrostatique
Web Page Adresse
Electrostatic Machines http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html
Bill Beaty http://www.eskimo.com/~billb/emotor/vdg.html
National Electrostatics Corporation http://www.pelletron.com
Resonance Research-D.C. Cox http://www.resonanceresearch.com/
Mr G's Physics Playground
http://www.physicsplayground.com/
How the Van de Graaff works ? http://www.engr.uky.edu/~gedney/courses/ee468/expmnt/vdg.html
Theater of Electricity (VDG of Boston) http://www.mos.org/sln/toe/toe.html
Van de Graaff Generators in the Classroom http://hypertextbook.com/eworld/vdg.shtml
Electrostatique de F1ets Jean Louis Merelle ( France )
Aide à la construction d'un générateur Van de Graaff ( en anglais)
Mr G's Physics Playground
http://www.physicsplayground.com/
Van de Graaff Generator's discussion group http://groups.yahoo.com/group/VanDeGraaffGenerator/


BIBLIOGRAPHIE

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Revision 4  -- 19 juin 2012
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BRENNI'S ARTICLE ON Van de Graaff generator (English)

Une machine electrostatique pour le XX siecle

ACCUEIL (RUHMKORFF) |   RESONATEUR TESLA  |   CASCADE GREINACHER  |   GENERATEUR DE MARX

PAGE GENERATEUR DE FELICI  

1999, 2012 © Lyonel Baum

lyonel.baum@orange.fr