Η γεννήτρια Van de Graaf είναι συσκευή που σχεδιάστηκε για να συσσωρεύει μεγάλες ποσότητες στατικού ηλεκτρισμού, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πειράματα.
Σήμερα, υπάρχουν δύο τύποι γεννητριών Van de Graaf ανάλογα με ποια πηγή ηλεκτρικού φορτίου χρησιμοποιούν. Στον ένα τύπο χρησιμοποιείται μια παροχή ηλεκτρικού ρεύματος υψηλής τάσεως. Στον δεύτερο, τον οποίο περιγράφουμε εδώ, χρησιμοποιείται σύστημα που βασίζεται στην ηλέκτριση-φόρτιση με τριβή και επαγωγή και χρειάζεται ατμοσφαιρικό αέρα για να λειτουργήσει.

Σχεδιάγραμμα της γεννήτριας που σχεδίασε και κατασκεύασε ο Van de Graaff το 1931 για ερευνητικούς σκοπούς
Η μεγαλύτερη γεννήτρια VDG ατμοσφαιρικού αέρα στο κόσμο βρίσκεται στο Μουσείο Φυσικών Επιστημών της Βοστόνης. Σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε το 1931 από τον αμερικανό φυσικό Robert Jemison Van de Graaff, που ήταν καθηγητής σε MIT, για να παρέχει την υψηλή ενέργεια που απαιτούσαν οι πρώτοι επιταχυντές. Αυτοί οι επιταχυντές επιτάχυναν τα υπο-ατομικά σωματίδια ώστε να συγκρούονται με πολύ υψηλές ταχύτητες με τα ακίνητα άτομα ενός στόχου. Τέτοιες συγκρούσεις υψηλής ενέργειας είναι απαραίτητες στα πειράματα της πυρηνικής φυσικής στα οποία δημιουργούνται νέα υπο-ατομικά σωματίδια και ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας όπως οι ακτίνες X.
Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως ερευνητικό εργαλείο και όταν επινοήθηκαν νέες μέθοδοι επιτάχυνσης των υπο-ατομικών σωματιδίων, η γεννήτρια χρησιμοποιήθηκε μόνο για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Στο τέλος δόθηκε στο μουσείο, όπου γίνονται καθημερινά επιδείξεις στο "Thomson Theatre of Electricity" Η γεννήτρια Van de Graaf αποτελείται από δύο στήλες με μια κοίλη σφαίρα αλουμινίου διαμέτρου 5 μέτρων στην κορυφή η καθεμιά. Κάθε στήλη έχει διάμετρο περίπου 2 μέτρα και το συνολικό της ύψος, μαζί με τη σφαίρα, είναι γύρω στα 15 μέτρα.
Ένας οριζόντιος σωλήνας με τον στόχο στη μέση ένωνε τις δύο σφαίρες. Η μια φορτιζόταν θετικά και η άλλη αρνητικά, μέχρις ότου η εκκένωση του ηλεκτρικού φορτίου ανάμεσα στις δύο σφαίρες χτυπούσε στην πορεία της το στόχο. Κάθε σφαίρα μπορούσε να φορτιστεί μέχρι περίπου 2,5 εκατομμύριο Volts, με συνέπεια η διαφορά δυναμικού τη στιγμή της ηλεκτρικής εκκένωσης να φθάνει περίπου τα 5 εκατομμύρια Volts. Μέσα στις δύο σφαίρες βρισκόταν οι ερευνητές και ο εργαστηριακός εξοπλισμός.



Πως λειτουργεί η γεννήτρια:

Στο διπλανό διάγραμμα μιας γεννήτριας Van de Graaf ατμοσφαιρικού αέρα διακρίνουμε τα μέρη της. Αποτελείται από: Α Μια κούφια μεταλλική σφαίρα στην οποία συσσωρεύεται το ηλεκτρικό φορτίο. Β, Ζ Μεταλλικές κτένες των οποίων τα δόντια είναι πολύ κοντά στην ταινία. Μεταλλικά ελάσματα συνδέουν την επάνω κτένα (Β) με το εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας και την κάτω με την γη. Γ, Η Περιστρεφόμενοι κύλινδροι από μονωτικό υλικό. Δ Ταινία από μονωτικό υλικό. Το μονωτικό υλικό είναι διαφορετικό στους δύο κυλίνδρους και στην ταινία Ε Κινητήρας: Περιστρέφει τον κάτω κύλινδρο (Η) ο οποίος δίνει κίνηση στην ταινία.
Για να φορτίσει την μεταλλική σφαίρα με ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου ο σχεδιαστής της γεννήτριας εκμεταλλεύεται ένα φαινόμενο που πρώτος διαπίστωσε ο Faraday: Φορτισμένα σώματα συμπεριφέρονται "παράξενα" όταν βρεθούν στο εσωτερικό μιας κούφιας μεταλλικής σφαίρας. Για παράδειγμα, όταν ένα φορτισμένο μεταλλικό σώμα ακουμπήσει το εσωτερικό μιας κούφιας μεταλλικής σφαίρας, αντί να μοιραστεί το φορτίο του με τη σφαίρα, "χάνει" προς τη σφαίρα όλο το φορτίο του που πλεονάζει και γίνεται ουδέτερο. Η σφαίρα φορτίζεται αλλά μόνον στην εξωτερική της επιφάνεια. Έτσι είναι έτοιμη να "ξανακλέψει" ηλεκτρικό φορτίο από όποιο φορτισμένο σώμα μπει στο εσωτερικό της. Στη μεταλλική σφαίρα της γεννήτριας το φορτίο το φέρνει συνεχώς η ταινία από μονωτικό υλικό (Δ) η οποία συνεχώς περιστρέφεται. Όση κι αν είναι η ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που "παραδίδει" σε κάθε γύρο η ταινία στη μεταλλική σφαίρα, μετά από ώρα η ποσότητα που θα έχει συσσωρευτεί θα είναι τεράστια και, θεωρητικά, απεριόριστη. Στην πράξη την περιορίζουν παράγοντες όπως η σκόνη, οι κατασκευαστικές ατέλειες της σφαίρας (π.χ. αιχμηρά σημεία), η κυρτότητα της σφαίρας, η αγωγιμότητα της ταινίας και της στήλης, η απόσταση μεταξύ της σφαίρας και του εδάφους και των κοντινών αντικειμένων. Για παράδειγμα, αν πλησιάσετε τη μεταλλική σφαίρα το δυναμικό της θα αλλάξει, θα μειωθεί.

Τι συμβαίνει στον κάτω κύλινδρο (Η):

Όταν ο κινητήρας (Ε) αρχίσει να λειτουργεί, ο κάτω κύλινδρος αρχίζει να γυρίζει την ταινία. Αν ο κάτω κύλινδρος είναι από καουτσούκ και η ταινία καλύπτεται από στρώμα πυριτίου, τότε, η επιφάνεια του κυλίνδρου αρχίζει να φορτίζεται με θετικό φορτίο και η ταινία με αρνητικό φορτίο. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της τριβής και της θέσης των δύο υλικών στην τριβοηλεκτρική σειρά: Το πυρίτιο βρίσκεται πιο κάτω από το καουτσούκ στην τριβοηλεκτρική σειρά, είναι πιο ηλεκτραρνητικό και συλλαμβάνει τα ηλεκτρόνια του υλικού της ταινίας καθώς αυτή περνά πάνω από τον κύλινδρο (σχήμα α παρακάτω).
Όμως, το αρνητικό φορτίο που παίρνει η ταινία από τον κύλινδρο δεν είναι απεριόριστο, κάποτε θα τελείωνε. Χρειάζεται, επομένως, ένας μηχανισμός που θα παίρνει φορτία από μια άλλη τεράστια "δεξαμενή" φορτίου, από τη γη. Εδώ αρχίζει ο ρόλος της κάτω μεταλλικής κτένας (Ζ και σχήμα γ παραπάνω): " Το φορτίο στον κύλινδρο είναι πιο συγκεντρωμένο, έχει μεγαλύτερη πυκνότητα, από όσο το φορτίο στην ταινία. Γι' αυτό, πάνω στα άκρα των δοντιών της κάτω κτένας (σχήμα γ παραπάνω) η δράση του φορτίου του κυλίνδρου είναι πολύ ισχυρότερη από τη δράση του φορτίου της ταινίας. Έτσι, στη συνέχεια, δεν λαμβάνουμε υπόψη μας τη δράση του φορτίου της ταινίας αλλά μόνον του κυλίνδρου. " Τα άκρα των δοντιών της κάτω μεταλλικής κτένας (Ζ) βρίσκονται πολύ κοντά στην επιφάνεια της ζώνης στη θέση όπου η ζώνη περνά πέρα από τον κύλινδρο (σχήμα γ παραπάνω). Το θετικό φορτίο της επιφάνειας του κυλίνδρου έλκει τα αρνητικά ηλεκτρόνια του μετάλλου τα οποία συγκεντρώνονται στα άκρα των δοντιών, αλλά κανένα ηλεκτρόνιο δεν αφήνει ακόμα το μέταλλο. " Στα άκρα των δοντιών της μεταλλικής κτένας η πυκνότητα του αρνητικού φορτίου είναι πολύ μεγάλη και επηρεάζει τον αέρα. Όποια μόρια αέρα έρχονται κοντά στα άκρα των δοντιών δέχονται ισχυρότατες ελκτικές/απωστικές δυνάμεις και άτομά τους ιονίζονται τελείως, δηλαδή χωρίζουν στα ηλεκτρόνια και στο θετικό πυρήνα τους. Τα ελεύθερα πια ηλεκτρόνια του αέρα απωθούνται έντονα από τα άκρα των δοντιών της μεταλλικής κτένας, χτυπούν άλλα μόρια αέρα τα οποία, επίσης, ιονίζουν τελείως. " Κοντά στα άκρα των δοντιών της μεταλλικής κτένας δημιουργείται μια μάζα αέρα που βρίσκεται σε μια ιδιαίτερη κατάσταση την οποία μερικοί θεωρούν ως την τέταρτη κατάσταση της ύλης και την ονομάζουν "πλάσμα". Το πλάσμα έχει τα ευκίνητα ελεύθερα ηλεκτρόνια που έχουν και τα μέταλλα, και είναι πολύ καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, ενώ ο αέρας είναι πολύ καλός μονωτής.
Στη συνέχεια, ουδέτερα μόρια του αέρα φορτίζονται αρνητικά, καθώς ηλεκτρόνια από το πλάσμα κολλούν πάνω τους, απωθούνται από τα δόντια της κτένας και έλκονται από τον κύλινδρο. Αντίστοιχα, θετικά φορτισμένα μόρια αέρα από το πλάσμα συγκρούονται με τα δόντια της κτένας και κλέβουν τα ηλεκτρόνιά της. Έτσι, αρνητικό φορτίο κινείται από το μέταλλο προς στον αέρα. Το πλάσμα δημιουργεί μια "εκκένωση στέμματος", μια αγώγιμη γέφυρα από το μέταλλο προς τον αέρα, κι ένας "άνεμος" αρνητικά φορτισμένου αέρα "φυσά" από τα άκρα των δοντιών της κτένας. " Ο αρνητικά φορτισμένος αέρας έλκεται ισχυρά από τη θετικά φορτισμένη επιφάνεια του κυλίνδρου. Όμως, ανάμεσα βρίσκεται η ταινία η οποία παίρνει τα αρνητικά φορτία που κατευθύνονταν προς τον κύλινδρο και τα απομακρύνει, καθώς περιστρέφεται, προς τη μεταλλική σφαίρα. Έτσι, ο κύλινδρος δεν χάνει ποτέ το θετικό φορτίο του. Ούτε η κτένα χάνει το φορτίο της γιατί καθώς ηλεκτρικά φορτία φεύγουν από τα δόντια της, νέα φορτία έρχονται στη χτένα από τη γη, με την οποία είναι συνδεδεμένη. Η διαδικασία φόρτισης που περιγράψαμε παραπάνω είναι φόρτιση με επαγωγή, αφού ο θετικά φορτισμένος κύλινδρος "προκαλεί" τη συγκέντρωση φορτίου στα άκρα των δοντιών της κτένας. Επίσης ονομάζεται και "φόρτιση με εκκένωση στέμματος", αφού το πλάσμα της "εκκένωσης στέμματος" επιτρέπει τη ροή φορτίων από τη βελόνα προς τον αέρα.
Τι συμβαίνει στον επάνω κύλινδρο (Γ): Η ταινία μεταφέρει το φορτίο προς την κούφια μεταλλική σφαίρα (Α) όπου βρίσκεται παρόμοιο σύστημα κυλίνδρου (Γ) και κτένας (Β) συνδεδεμένης με την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας. Αυτό το σύστημα (Γ & Β) στην κορυφή της γεννήτριας λειτουργεί αντίστροφα από ό,τι το σύστημα (Η & Ζ) στη βάση της: Το φορτίο θα πρέπει να περάσει από την ταινία προς τα δόντια της κτένας και στη συνέχεια προς την κούφια μεταλλική σφαίρα. Γι' αυτό, ο επάνω κύλινδρος (Γ) δεν θα πρέπει φορτιστεί θετικά. Θα πρέπει να είναι είτε ουδέτερος είτε αρνητικά φορτισμένος. Καθώς η αρνητικά φορτισμένη ταινία περνά πάνω από τον επάνω κύλινδρο, απωθεί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από τα άκρα των δοντιών της μεταλλικής κτένας (Β) τα οποία, έτσι, φορτίζονται έντονα θετικά. Οι ισχυρές ηλεκτρικές δυνάμεις έλξης / άπωσης ιονίζουν τα πλησιέστερα μόρια αέρα και δημιουργούν, κοντά στα δόντια της κτένας, αγώγιμο πλάσμα που φωτοβολεί ελαφρά. Αυτή τη φορά, τα δόντια της κτένας έλκουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του πλάσματος και απωθούν τα θετικά φορτισμένα μόρια αέρα προς την αρνητικά φορτισμένη ταινία την οποία και αποφορτίζουν. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια περνούν στη χτένα, απωθούνται και αυτά προς το εσωτερικό της χτένας και στο τέλος τα "ρουφάει" η κοίλης σφαίρα εξαιτίας του φαινομένου του Faraday που περιγράψαμε στην αρχή
Συνολικά, μπορούμε να περιγράψουμε τη γεννήτρια VDG με πολύ απλό τρόπο. Μια ταινία περνά πάνω από δύο κυλίνδρους. Οι κύλινδροι πρέπει να είναι από διαφορετικά υλικά (π.χ. πλαστικό και αλουμίνιο). Δύο κτένες βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια της ταινίας απέναντι από τους δύο κυλίνδρους. Η μια κτένα συνδέεται με τη γη και η άλλη με την εσωτερική επιφάνεια μιας κοίλης μεταλλικής σφαίρας. Αν προσθέσουμε έναν κινητήρα ή μια χειροκίνητη μανιβέλα έχουμε ολοκληρώσει μια γεννήτρια Van de Graaf.