Il existe plusieurs raisons pour fabriquer soi-même un générateur Van de Graaff. Tout d’abord, c’est un projet amusant et éducatif qui peut être réalisé par les personnes de tous âges. Deuxièmement, c’est une excellente occasion d’apprendre sur les principes de l’électricité statique. Troisièmement, c’est un excellent moyen de créer des effets spéciaux amusants et impressionnants. Voici quelques-uns des intérêts spécifiques de la fabrication d’un générateur Van de Graaff : Apprentissage sur les principes de l’électricité statique : Un générateur Van de Graaff est un appareil qui utilise l’électricité statique pour produire des charges électriques élevées. Comprendre le fonctionnement d’un générateur Van de Graaff peut aider à mieux comprendre les principes de l’électricité statique, tels que la conduction, l’induction et la polarisation.

Découverte et besoins

Le générateur de Van de Graaff est une machine électrostatique qui fut inventée par l’américain Robert Van de Graaff au début des années 1930. Ce dispositif permet d’atteindre des tensions continues très élevées de l’ordre de 10 à 100 milliers de Volts mais pour des courants de faible intensité donc sans danger.

Le besoin de disposer de tensions élevées intervient dans de nombreuses applications scientifiques: expérimentations physiques, accélérateurs de particules, alimentation de tubes à rayons X pour la radiologie. Le modèle MP-10 construit par l’université de Strasbourg a pu atteindre 18 millions de Volts avec quelques modifications.

Principe

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 (1).

Le générateur de Van de Graaff comprend une courroie (4) et (5) en tissu isolant qui fait fonction de convoyeur de charges électriques. Son mouvement est assuré entre deux poulies cylindriques. L’effet triboélectrique explique le transfert d’électrons lors d’un frottement entre objets de natures différentes. La première poulie (3) est constituée de Plexiglas, de Téflon ou de Nylon voire de PVC (polychlorure de vinyle). Elle est logée dans une sphère métallique creuse (1). Cette sphère se trouve montée au sommet du générateur. La seconde poulie (6) est entrainée par un moteur placé à la base du dispositif.

Des électrodes (2) et (7) sont munies de peignes pointus pour attirer à distance et par influence les charges présentes sur la courroie (effet corona ou effet des pointes). L’électrode du bas (7) est connectée à la terre pour écouler les charges négatives (électrons) et apporter une référence de potentiel zéro.

• 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

 Réalisation

La fabrication exploite des constituants disponibles couramment dans le commerce et à faible prix. La sphère utilise une boule métallisée de Noël de diamètre 9 cm. Cette boule est creusée à la scie à métaux pour l’ouvrir et donner accès à l’intérieur.

Découpe de la boule

La sphère est logée à l’extrémité de deux bras formés de tubes PVC de 16mm prolongés par des tubes PVC de 12 mm pour faciliter le montage et les réglages de la tension de la courroie. Les bras sont plantés dans des trous découpés dans une planche en contreplaqué. Les éléments en PVC sont fixés entre eux avec un pistolet à colle à chaud. L’électrode du bas est constituée de deux fils (1.5 mm²) récupérés d’un vieux cordon électrique. Les deux câbles sont simplement dénudés à leurs extrémités pour former une brosse garnie de multiples brins de cuivre.

L’électrode en forme de brosse et la courroie en Nylon ( bas )

La base en contreplaqué de 16mm, les tubes en PVC de 16mm et le moteur de Meccano

Dans notre montage, la poulie du haut a été remplacée par un simple morceau de tube PVC de 12mm (tube de protection des câbles électriques) sur lequel frotte la courroie. La création de charges positives est réalisée par le frottement de la courroie sur le tube PVC horizontal supérieur et probablement aussi sur les lèvres du passage de courroie de la boule.

La courroie frotte directement sur le tube de PVC en haut du dispositif

La poulie du bas est formée à partir d’un morceau de tube à eau (PVC de 40mm), les joues des poulies ont été découpées dans un plaque de PVC. Cette plaque provient d’un tube à eau de 40 mm découpé et remis à plat en le chauffant avec un sèche-cheveux. La courroie est formée à partir de morceau de vieux bas de Nylon refermé à ses extrémités par une couture faite à la main. Le moteur provient d’un jeu de Meccano dont l’arbre mesure 4 mm de diamètre. L’alimentation électrique du moteur est apportée par un adaptateur secteur USB dont la tension de 5.1V est abaissée à 3.7V grâce à la mise en série de 2 diodes 1N4004. Cette tension correspond à une vitesse optimale d’entrainement de la courroie. La consommation du générateur est proche d’un 1A. D’autres moteurs à courant continu peuvent être mécaniquement adaptés pour entrainer la poulie.

Note : Sur ce prototype, deux mécanismes sont exploités pour permettre aux charges électriques d’être transportées par la courroie :

• l’ionisation (influence) : l’air entre la brosse et la courroie est ionisé par la tension élevée existant entre la brosse et la courroie. Les ions positifs sont attirés par la courroie et contribuent à la charger positivement,
• le frottement (contact) : la sphère en haut de la courroie est en contact avec la courroie, et les deux surfaces sont frottées l’une contre l’autre. Ce frottement permet aussi de transférer des charges électriques positives de la courroie vers la sphère.

Essais

Après 10 secondes de charge de la sphère, des arcs électriques de longueur 2 à 3 cm sont constatés lorsqu’on approche la main de la sphère (potentiel zéro de la terre).  Dans l’air sec, les arcs électriques se produisent pour des distances de l’ordre de 36 kV/cm. Cela correspondrait à la génération de tensions de l’ordre de 70 à 100 kV. Le courant produit serait de l’ordre de 10 µA. Cela correspondrait à une puissance générée de 100 000 V x 10 x 10^-6 A = 1W, le moteur consomme 5V x 1A = 5W. Le rendement électrique serait donc de 20% (ce qui n’est pas très bon !), il est vrai qu’il y a beaucoup de puissance perdue dans les frottements.

Les manipulations possibles