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Présentation PHY­241

La Machine de Van de GraaffM.G.Athie / R.Becheras / H.SteigerwaldM.G.Athie / R.Becheras / H.Steigerwald

[PHY­2][PHY­2]Avril 2008Avril 2008

La Machine de Van de Graaff

Partie 1Mamadou Gueye  AthieMamadou Gueye  Athie

Plan de L'exposé

Partie 1 : Introduction Les ancêtres du générateur de VdG La course aux hautes tensions, l'inventeur et son prototype.

Partie 2 : Description (et démo) du génétateur didactique. didactique.

Partie 3 :Partie 3 : Maturation de la technologie : du générateur à l'Maturation de la technologie : du générateur à l'accélérateur.accélérateur. ConclusionConclusion

Machine E­Statique de Rouland

Walckiers,1784 :  Bande de soie en boucle Deux rouleaux en bois Soie chargée par friction 

sur des coussins Utilisé avec succès à 

l'ARP Encombrant

Amélioré par Rouland

Electromètre de Righi

Righi, 1872 : Thèse de Doctorat

Electromètre à induction  Anneau flexible en boucle Amplificateur de charges Mesure de faibles 

tensions, pour vérifier l'effet Volta

La Course aux Hautes Tensions 1919 : Rutherford accomplit la première transmutation 

nucléaire (azote en oxygène). Atomes lourds = Haute barrière Coulombienne E = q U, donc on peut accélérer les particules dans un 

tube à vide soumis à une très haute tension De nombreux systèmes sont proposés 

(foudre, impulsion, transformateur de Tesla, multiplicateur de tension, etc ...)

Une des meilleurs idées : le générateur éléctrostatique de Van de Graaff

Robert Jamison Van de Graaff

Physicien américain (20/12/1901 – 19/01/1967)

Maitrise d'ingénieur en mécanique (Alabama)

Assiste aux cours de Marie Curie (la Sorbonne)

1928 : Doctorat de physique à Oxford

1929 : Membre de la recherche nationnale à Princeton, et invention du générateur.

Premier Prototype Electrophore a service continu 

(machine éléctrostatique dite "d'addition ").

Principe indiqué par lord Kelvin , repris par Volrath et considerablement ameliore par R. J. Van de Graaff .

Effet Couronne (induction)

Effet Triboéléctrique

Présenté à l'American Physical Society en 1931.

2 sphères (+/­)

80 kV

La Machine ?

Grosso modo 3 types de machines de Van de Graaff: Le(s) prototype(s) Les générateurs didactiques / de démonstration Les accélérateurs Van de Graaff

La Machine de Van de Graaff

Partie 2Heinrich SteigerwaldHeinrich Steigerwald

Le ”Van de Graaff” didactique

1.Sphère creuse conductrice

2.Peigne supérieure 

3.Poulie en nylon 

4.Courroie en latex

5. ­ ” ­

6.Poulie motrice (en PVC)

7.Peigne infériere

Définitions importantes1. Effet triboélectrique                                      

   «Lorsqu'on met en contact deux matériaux de natures différentes, il y a migration d'une partie des électrons».                                                       Dépend de l'électronégativité des matériaux.                                                                                     Ex.:   nylon ( + + )                                                                papier ( + )                                                                  latex  ( ­ )                                                                     PVC  ( ­ ­ ­ )

Définitions importantes

2.Effet couronne«Décharge électrique entrainée par l'ionisation du milieu (diélectrique) entourant un conducteur».

Conducteur (pointe):E = σ / ε0

  prop. à  1 / Rσ

R petit  ==>  E grand

Eind

E

Fonctionnement Poulie en PVC plus 

électronégative que la courroie en latex.

Séparation de charges par effet triboélectrique.

Spoulie<<  Scouronne

=>  σpoulie  >> σcouronne

Création d'un champ E

­ ­­ ­­ ­

Fonctionnement

Ionisation de l'air entre peigne et poulie

Passage de charges sur la courroie par   «effet de couronne»

Evacuation immédiate des charges par la courroie

E

Fonctionnement

Poulie supérieure (nylon) moins électronégative que la courroie

Poulie se charge (+) Répulsion des charges (+) 

sur le peigne Chargement de la sphère

E

+  +  +  +  +  +  +  +  +  + 

+ +

Calcul du potentiel

Champ disruptif de l'air : E ~ 36 000 V/cm

Distance de claquage mesurée :   d = ~4 cm

Potentiel :     V = E * d        V ~ 144 kV

V=0

d

Calcul du potentiel

Pour une sphère parfaite:V = R σ/ε0 

R = 10 cm Ici, théoriquement :

V = R Edisr = 360 kV (Jamais atteint ! Sphère 

imparfaite ...)

R

La Machine de Van de Graaff

Partie 3Rémi BecherasRémi Becheras

Evolution du Générateur

1931 : Amélioration du dispositif (1,5 MV)

1936 : Construction d'un grand générateur double à Round Hill :

Deux colonnes 3 couroies / colonne 4.6 m de diamètre 10 m de hauteur 5,1 MV

De Round Hill au MIT Un labo dans chaque sphère Un tube accélérateur entre 

les dômes

Transformé et réutilisé au MIT pour étudier la fission et les rayon X de haute énérgie

L'Accélérateur du MIT Des ions ou particules 

chargées peuvent être accélérée dans un tube à vide entre le dôme et le sol.

La colonne est isolée de tout champs éléctrique  pour uniformiser au mieux le champ éléctrique.

On crée ainsi un faisceau de haute énergie de particules chargée.

Sophistication Technologique

Etudes sur les hautes tensions, les isolants Mécanique de précision Préssurisation des terminaux Remplacement des couroies par des  chaines de charge 

(Résistance, induction, charge stable, insensible à l'humidité) Découverte de l'effet de changement de charge, qui mena à la 

mise au point des accélérateurs Tandem­Van de Graaff

Tandem­VdG : Principe

Atomes ­­> Ions (­) Accélération

Ions (­) ­­> Ions (+) Accélération

Tandem : deux exemples

Le Tandem­VdG de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay fournit un faisceau d'ions à un accélérateur linéaire d’électrons dédié à la production de faisceaux radioactifs riches en neutrons.

Le Vivitron était la machine la plus performante en Europe pour ce type d'accélérateur et fait partie des trois machines au monde atteignant 20 MV.La dernière expérience fut réalisée en 2003.

Une Contribution Importante Notons que Van de Graaff reçu plusieurs diplômes honorifiques, et 

fut récompensé avec le prix T.Bonnet pour ses nombreuses contributions au développement des accélérateurs éléctrostatique

Van de Graaff mourut en 1967 Plus de 500 accélérateurs de 

particules de ce type était alors en exploitation

Son invention fut donc clairement une avancée majeure pour la physique expérimentale

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