le Groupe électrogène Van de Graaff C'est un artefact qui fonctionne grâce à des phénomènes électrostatiques, et dont la fonction est de reproduire d'énormes potentiels électriques, de l'ordre des mégaélectronvolts (MeV), pour accélérer les particules subatomiques. Ces potentiels sont concentrés dans ses parties supérieures, où reposent des sphères métalliques creuses caractéristiques..
Il a été inventé en 1929 par le physicien américain Robert J. Van de Graaff, construisant des modèles de différentes tailles et capacités électriques. L'un des plus grands, créé en 1933 et vu dans l'image ci-dessous, est capable d'atteindre un potentiel électrique de 5MeV; cinq fois moins que ce qui est actuellement réalisable (25,5MeV).
Le potentiel du générateur Van de Graaff est si élevé que des décharges électriques se produisent dans l'air entourant ses sphères métalliques. Ces décharges sont le produit du déséquilibre des charges électriques, puisque les sphères acquièrent des charges électriques très négatives ou très positives; tout en fonction des matériaux et de vos créations.
Cet appareil est très populaire dans l'enseignement de la physique et de l'électricité. En effet, les volontaires, lorsqu'ils touchent les sphères ou les dômes métalliques des petits générateurs, subissent un soulèvement involontaire de leurs cheveux, ce qui rappelle une électrocution..
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Dans l'image ci-dessus, nous avons les pièces conventionnelles pour un générateur Van de Graaff. Il présente un cadre vertical surmonté d'une sphère creuse ou d'un dôme métallique (1). À l'intérieur, nous avons une bande ou une ceinture (4 et 5) en matériau polymère et isolant, tel que le tube chirurgical.
Cette courroie se déplace constamment entre deux rouleaux: un supérieur (3) et un inférieur (6). De même, chaque rouleau a fixé une brosse métallique (2 et 7) qui frotte la surface de la courroie. Le mouvement de la courroie est activé par un moteur électrique connecté à la base du générateur.
Comme on peut le voir sur l'image, la sphère du générateur est chargée positivement (+). Par conséquent, il a besoin d'électrons pour alimenter le déséquilibre électrique. C'est ici que les électrons (-) qui quittent le générateur finissent par charger négativement un dispositif métallique proche (8); pour finalement produire une décharge électrique (9) en direction du dôme métallique.
Le choc électrique peut se produire soit en direction du dôme, soit en direction de l'appareil; ce dernier se produit lorsque c'est le dôme qui est chargé négativement.
Le générateur Van de Graaff peut être chargé positivement ou négativement. Le symbole de la charge dépendra de la nature triboélectrique des matériaux à partir desquels la courroie et le couvercle du rouleau inférieur sont fabriqués..
Par exemple, si le rouleau inférieur est recouvert de nylon, mais que la ceinture est en caoutchouc, alors la série triboélectrique doit être vérifiée pour savoir quel matériau elle recevra et lequel donnera les électrons une fois qu'ils seront en contact..
Ainsi, parce que le nylon est plus positif, c'est-à-dire parce qu'il est plus élevé dans la série triboélectrique que le caoutchouc, il perdra des électrons tandis que le caoutchouc les gagnera. Par conséquent, la courroie finira par déplacer ou mobiliser des charges négatives lorsque le moteur du générateur est démarré..
Pendant ce temps, si le rouleau inférieur est recouvert de silicone, l'inverse se produira: la courroie perdra des électrons, car le silicone est plus négatif que le caoutchouc dans la série triboélectrique. Et par conséquent, la ceinture va déplacer ou mobiliser des charges positives (comme dans l'image déjà décrite).
La triboélectricité n'est que l'un des nombreux phénomènes électriques (effets corona et photoélectriques, glaçon de Faraday, champs électriques, etc.) qui se produisent dans le générateur Van de Graaff. Mais l'essentiel est qu'il peut déplacer, mobiliser ou «pomper» des charges électriques vers le dôme métallique..
Une fois que le rouleau inférieur est chargé négativement après l'activation du moteur, et la courroie positivement, les électrons du rouleau commencent à repousser ceux de la face extérieure de la courroie. Ces électrons migrent, à travers l'air, vers la brosse inférieure, où ils seront conduits vers la terre ou un autre appareil..
La courroie chargée positivement atteint le rouleau supérieur, qui a une nature triboélectrique opposée au rouleau inférieur; c'est-à-dire qu'au lieu d'être chargé négativement, il doit perdre des électrons et donc devenir également chargé positivement. Ainsi, la charge positive se déplace vers le rouleau supérieur et, enfin, vers la brosse supérieure en contact direct avec le dôme métallique.
Les électrons de la brosse supérieure sont transportés vers le rouleau pour neutraliser les charges. Mais ces électrons proviennent de la surface du dôme métallique. Par conséquent, le dôme acquiert également une charge positive.
Le dôme, selon ses dimensions, atteindra un potentiel maximum. Après cela, les charges électriques doivent être équilibrées. Étant très positif, il recevra des électrons d'une source chargée très négativement - l'appareil qui reçoit les électrons de la brosse inférieure. Ainsi, une décharge électrique (étincelle) est produite du dispositif (négatif) vers le dôme métallique (positif).
Plus les potentiels électriques atteints sont élevés, proportionnels aux dimensions du générateur, plus les décharges électriques reproduites seront intenses. Notez que s'ils n'étaient pas si gros, les électrons ne pourraient pas voyager dans l'air, un milieu diélectrique non conducteur.
Si la sphère métallique est chargée positivement et que quelqu'un la touche, ses cheveux finiront également par être chargés positivement. Des charges égales se repoussent, et donc les cheveux se dresseront et se sépareront les uns des autres. Ce phénomène est utilisé à des fins éducatives dans les cours d'introduction de l'électrostatique.
Ainsi, des générateurs Van de Graaff de petite taille sont utilisés pour capter l'attention des observateurs sur la position de leurs cheveux; ou dans la contemplation de chocs électriques, répliques fidèles de celles que l'on voit dans les films de science-fiction.
Lorsque le dôme concentre de nombreuses charges électriques, un potentiel est généré qui est capable d'accélérer les particules subatomiques. Pour cela, le générateur Van de Graaff est utilisé pour reproduire les rayons X dans les études médicales et la physique nucléaire..
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