La machine électrostatique Van de Graaff a été inventée dans les années 1930 par le physicien Robert J. Van de Graaff. Elle est emblématique du XX ème siècle.
Les machines électrostatiques sont apparues avant les machines électromagnétiques et ont eu un grand succès dès le XVII ème siècle.
La recherche en physique nucléaire, à ses débuts, a eu besoin de hautes tensions continues pour accélérer les particules. Les meilleures machines électrostatiques pouvaient délivrer 100 000 volts. Les générateurs à partir du courant alternatif se heurtaient à de gros problèmes d'isolement du transformateur et des redresseurs .
La nouvelle machine de Van de Graaff représentait un progrès pour la physique et la recherche , car elle a permis rapidement d'atteindre des tensions continues de 500 000 à 4 000 000 de volts.
Les perfectionnements successifs du concept ont pu optimiser les résultats jusqu'à 20 ou 25 millions de volts dans des enceintes pressurisées
L'intérêt de cette machine c'est que l'on peut la construire à toutes les échelles de dimension et que le bricoleur soigneux peut fabriquer un prototype qu' il pourra perfectionner progressivement et s'adonner aux joies de l'électrostatique comme au Palais de la Découverte à Paris ou au Musée de Boston .
Effet classique de la haute tension électrostatique sur les cheveux
Effet classique de la haute tension électrostatique sur les cheveux
Principe de fonctionnement
Ce qui est décrit est la forme classique, verticale, d'un générateur fonctionnant dans l'air.
Les versions industrielles fonctionnent dans une enceinte pressurisée avec un gaz isolant ( Hexafluorure de soufre).
Ce générateur à bande sans fin isolante transporteuse de charges électriques va créer à la surface d'une sphère conductrice creuse, une accumulation additive de ces charges et en résultera un voltage très élevé qui ne dépend que des dimensions de la sphère et de son isolation par rapport à son environnement.
Le schéma ci-dessous montre bien la courroie sans fin qui tourne sur deux poulies cylindriques. La sphère métallique creuse reçoit les charges électriques , par induction, grace au peigne qui se trouve à l'intérieur.
Le peigne inférieur est soit relié à la terre, soit alimenté en charges positives par un petit générateur externe.
Composantes
- Une sphère métallique creuse ouverte à son pôle inférieur pour laisser passer la courroie et le support.
- Une colonne isolante ou un système de support isolant qui maintiennent la sphère isolée par rapport au sol.
- Un courroie transporteuse de charge qui tourne sans fin entre deux poulies cylindriques tournées dans deux matériaux isolants éloignés dans liste de la triboélectrification
- Téflon et Nylon
- PVC et Nylon
- Liste de triboélectrification
- Matériaux de moins en moins électropositifs
- Verre
- Nylon
- Laine
- Soie
- Aluminium
- Coton
- zone neutre
- Acier , Inox
- Bois , ambre , résine
- Ebonite
- Cuivre
- Polyester
- Polystyrène
- Polyéthylène
- Polypropylène
- PVC polychlorure de vinyl
- Silicone
- Téflon
- Matériaux les plus électronégatifs
- Deux peignes déposent ou prélèvent les charges grâce au pouvoir des pointes :
- Le peigne inférieur s'approche de la bande isolante sans fin sans la toucher , il est relié électriquement à la terre .
- Le peigne supérieur est disposé de la même manière et il est relié électriquement à la face intérieure de la sphère.
- Une manivelle ou un moteur électrique ( c'est mieux ) , couplés mécaniquement à la poulie inférieure, font tourner la courroie sans fin sur les 2 poulies.C'est la transformation de l'énergie mécanique et l'arrachage des électrons à la bande qui génèrent les charges électriques.
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Photographies personnelles : demi-sphères en acier Ikéa ©
Photographie personnelle : les poulies en Teflon ™ sont tournées en barriques
Variantes
- La sphère [ électrode haute tension ] peut être remplacée par toute forme conductrice creuse :
- un cylindre fermé par 2 demi-sphères ou,
- un toroïde
- La colonne isolante en plastique acrylique transparent ( qui permet de voir la courroie qui s'anime ) peut être :
- un tube en PVC si son diamètre n'est pas trop important : 100 à 150 mm sont un maximum car au-delà le PVC devient conducteur grâce à sa porosité et à l'humidité résiduelle de l'air . On peut améliorer son isolation en nettoyant à fond le tube en PVC , en le faisant sécher pendant plusieurs heures dans une source d'air chaud et sec, puis en le recouvrant intérieurement et extérieurement d'un vernis polyuréthane pour bâteau.
- ou remplacée par 2 à 4 supports verticaux en plastique. L'important est de maintenir l'électrode haute tension à distance du sol ou de la terre en évitant les vibrations.
- La courroie transporteuse de charge peut être en caoutchouc, en latex ,en néoprène, en vinyl , en Dacron. De sa largeur dépend l'intensité de la charge . Mais cela n'intervient pas sur le voltage qui, je le rappelle , ne dépend que de la taille de l'électrode haute tension.
- L'expérience montre qu'avec des poulies en Téflon , Nylon et PVC , la bande (courroie) transporteuse de charges doit être en Nylon imprégné vinyl ( Vinyl impregnated Nylon ) , tissu synthétique vendu sur le catalogue McMaster Carr, malheureusement pas importable en France.
- Les peignes sont disposés parallèlement à l'axe des poulies , perpendiculairement au sens de défilement de la bande transporteuse de charges. Ils doivent être d'une largeur inférieure à celle de la courroie. Ils sont composés d' aiguillles très fines , parallèles reliées électriquement entre elles . On peut les remplacer par une bande de grille métallique dont on a enlevé quelques fils horizontaux.
Détails
- Les générateurs de haute tension : 1 000 000 volts
- Article de 1961
( Ci-dessus ) Pôle inférieur : moteur , poulie et peigne inférieurs, courroie
(Ci-dessus ) Pôle supérieur : poulie et peigne supérieur et vis d'ajustage
Résultats
Sur cette photo particulièrement réussie de John William, le générateur Van de Graaff de Pete Miller est en action. Des décharges électriques de 500 à 600 mm de long se produisent entre l'électrode sphérique terminale portée à une très haute tension (400 000 volts ) et les vis de réglages de l'horizontalité de la base reliée à la terre.
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| Décharges « couronne » entre 2 sphères. |
Sébastien BURNEAU
Inviter en tant qu'auteur
Excellent knol
Encore un excellent knol qui mérite sincèrement une note maximale.
Sébastien
Il fait partie de la collection dont le lien suit :
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Gust MEES
Inviter en tant qu'auteur
Félicitations. Vous faites désormais part des TOP 10 auteurs Knol,
Mes félicitations. Vous faites désormais part des TOP 10 auteurs Knol, en 3ème position, dont voici la liste :
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Bonne continuation.
Gust