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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
Merci Pour Vôtre Attention
Si ce sujet vous interresse, quelques liens internet sont disponibles à l'adresse suiante : http://psychosmose.free.fr/pages/vdg.html
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