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Histoire et valeurs théoriques

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 méga volts sur des appareils puissants et performants.

La tension maximale théorique idéale sur une sphère est environ de 30 kV / cm de rayon. 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 où passe la courroie transporteuse de charges.


Les composants nécessaires :

 

  • L'électrode métallique creuse : Un sphéroïde ou tore collecteur des charges, donc conducteur.

 

  • La colonne isolante : Un tube cylindrique et vertical, ou deux supports rectangulaires verticaux en plastique, polycarbonate ou acrylique.

 

  • La courroie : Les bandes peuvent être découpées dans du latex, Néoprène ou nappe cirée en tissu  imprégné Vinyle.

 

  • Les poulies : Les surfaces des 2 poulies doivent être composées dans 2 matériaux différents, différents aussi du matériau de la courroie ; une poulie en métal et une poulie en matière plastique.

 

  • Le moteur électrique :  Il entrainera la poulie inférieure soit par couplage direct sur l'axe soit par l'intermédiaire d'une courroie motrice.

 

  • Les peignes ou balais de transfert : Composé d’une grille métallique ou de mailles fines, monté sur un support réglable de manière à amener les pointes à 1-2 mm de la bande, perpendiculaires à l'axe du cylindre.

  • Le peigne inférieur est relié à la terre ou à la masse de la base métallique dans le modèle auto excité. Elle est positionnée juste au-dessous de la poulie inférieure.

  • Le peigne supérieur est relié électriquement à la face interne de la sphère. Ses pointes sont dirigées vers la bande, un peu au-dessus de la poulie supérieure.

     

Fonctionnement

 

Deux électrodes E1 et E2, sont placées respectivement juste en dessous de la poulie inférieure et à l'intérieur de la sphère au-dessus de la poulie supérieur. 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.

Fabrication

 

Tout d’abord, notre choix de machine s’est fait sur la Van Der Graaf Generator, car l’analogie avec un nuage d’orage est possible, c’est un arc résultant de l’accumulation de charges électrostatiques, pas comme dans une Tesla ou une Wimshurt. L’élaboration du générateur aura pris en tout plus de 40 heures de travail.  La conception de la machine peut sembler aux premiers abords assez simple et peu complexe, mais sa réalisation a pris beaucoup plus de temps que prévus du fait des problèmes de fonctionnement et des complications qui furent très nombreux.

La première étape fut de réunir les matériaux, bien choisis et de bonnes proportions pour la Van Der Graaf Generator. Pour cela, il a fallu prendre contact avec des magasins professionnels et spécialisés, comme Weber plastique (tube acrylique), Leroy Merlin (colle spéciale plastique), Hawaï Surf  (roulements à billes et roues de roller), Aquaman (application technique de l’utilisation de la colle néoprène) et Adir (pour l’atelier et les locaux).

Ensuite il fallait élaborer le support dans un matériau isolant et usinable facilement, notre choix s’est donc porté sur du bois. Le montage du tube en acrylique, de la poulie inferieur et du support a été rythmé de plusieurs erreurs de proportions et de concordances. Il a donc fallut recommencer plusieurs fois le montage avant un support maintenant solidement la structure. L’élaboration des poulies, fabriquées avec des roulements à billes encastrés dans un tube PVC avec de la colle chaude, recouvertes de bandes autocollantes afin de les rendre bombées, a également pris pas mal de temps.

Après cela, nous avons assemblé tous les éléments sur la structure déjà existante. Il fallait maintenant raccorder les deux extrémités de la courroie en latex, ce qui a été une tâche assez rude, du fait qu’elle était en latex. Il y eu de multiples tentatives, comme les coller avec de la colle néoprène, avec des bandes thermocollantes, puis avec de colles pour plastiques souples et enfin par du ruban adhésif très résistant, mais en vain.

De surcroit, la courroie s’est déchirée deux fois de suite, nous forçant à en redécouper une autre. Nous avons au final utilisé plusieurs types de colle, et des agrafes. Le temps venant à nous manquer pour trouver une sphère parfaite pour l’accumulation des charges, nous avons utilisé deux saladiers en maille, tout aussi efficace. Il ne restait plus qu’à souder le tout, de rajouter les deux peignes en mailles (l’un soudé au tore, et l’autre à la terre).

Plusieurs tests ont été faits mais n’ont pas aboutis aux résultats attendus. Cela est probablement dû au problème « des fuites silencieuses », résultat des effets coronas dissipant les charges accumulées, empêchant donc la formation d’arcs électriques. Cela est peut être aussi dû au montage même du générateur ou à une insuffisante accumulation de charges électrostatiques. Cela a quand même été une expérience amusante et enrichissante, malgré les problèmes rencontrés. Ce générateur nous a permis de mettre en évidence le phénomène étudié ; la foudre, à notre échelle, sous une forme simplifiée, avec une machine historique des années 30, dans une approche et démarche scientifique.

1. Sphère creuse avec des charges positives

 

2. Électrode (E2) connectée à la sphère, un peigne est au plus près de la courroie

 

3. Poulie supérieure (en Nylon)

 

4. Partie de la courroie chargée positivement

 

5. Partie de la courroie chargée négativement

 

6. Poulie inférieure (en Téflon), son axe est relié à un moteur

 

7. Électrode inférieure (E1) destinée à collecter les charges négatives

 

8. Sphère chargée négativement utilisée pour décharger la boule principale

 

9. Étincelle ou arc électrique produits par la différence de potentiel

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