En Van de Graaff-generator använder triboelektricitet – skapandet av en elektrisk laddning genom två olika material som gnuggar ihop, ofta kallad statisk elektricitet – för att generera en stor potentialskillnad som kan producera en högspänningsurladdning. Maskinen utvecklades av Dr Robert J. Van de Graaff i början av 1930-talet, även om den föregicks av ett antal enheter som fungerade enligt liknande principer. ”Motorn” för Van de Graaff-generatorn använder två rullar gjorda av olika material – vanligtvis metall och plast – förbundna med ett band av gummi eller annat isolerande material, upphängd vertikalt mellan dem och driven av en motor. En metallkam, jordad till jorden, placeras med tänderna vända mot den nedre rullen. På toppen av generatorn är en annan metallkam placerad på liknande sätt, med tänderna nära den övre rullen och ansluten till en metallkupol.
Om den övre rullen är av metall och den nedre rullen av plast, kommer gnidningen av bandet mot plastrullen att göra att elektroner avlägsnas från plasten på bandet, så att en negativ laddning byggs upp på bandet medan rullen lämnas med en positiv laddning. Elektroner från den nedre kammen dras till den positivt laddade rullen och en del kommer att hoppa mot den, men hindras från att nå den av det isolerande bandet, som då får en ännu större negativ laddning. Längst upp på enheten rör sig elektroner i kammen bort från det negativt laddade bältet och till metallkupolen, för att ersättas med elektroner från bältet. Således sker en kontinuerlig överföring av elektroner från den nedre rullen – via bältet och den övre kammen – till metallkupolen, som får en stor negativ laddning. Om rullarnas lägen vänds om, får kupolen en positiv laddning.
Kupolformen på toppen av Van de Graaff-generatorn är idealisk för att uppnå en jämn laddningsfördelning och maximera potentialen. Vassa kanter, spetsar eller ojämnheter kan göra att laddningen läcker ut i luften. Det är därför metallkammarna används – tänderna gör att elektroner lätt kan färdas till eller från kammen för att uppnå en stor uppbyggnad av laddning på kupolen. Prototypgeneratorn använde en plåtburk istället för en kupol, men detta förbättrades snart.
Van de Graaff-generatorer finns vanligtvis i skolans och högskolornas fysiklabb: dessa kan generera potentiella skillnader på över 100,000 XNUMX volt. En populär demonstration innebär att få studentvolontärers hår att resa sig när de rör vid kupolen; hårstråna får samma laddning och stöter bort varandra. Denna typ av generator kan också generera ganska betydande gnistor när elektroner hoppar till ett närliggande föremål. Genom att peka ett finger nära kupolen kan en gnista upp till flera centimeter lång fås att hoppa mellan kupolen och fingret, vilket resulterar i en mild elektrisk stöt. Även om mycket höga spänningar kan genereras av dessa enheter, är strömmen för liten för att utgöra någon risk.
Det är möjligt att bygga generatorer som producerar mycket större spänningar. En stor Van de Graaff-generator kan producera en potentialskillnad på miljontals volt. Den största demonstrationsgeneratorn som någonsin byggts är 40 fot (12.19 m) hög och kan generera potentialskillnader på 5 miljoner volt eller mer, vilket ger gnistor som liknar blixtar som är flera fot långa.
Van de Graaff-generatorer har också seriösa tillämpningar. De används ibland för att generera de enorma spänningar som krävs för partikelacceleratorer som används för att undersöka naturens grundläggande krafter. En Van de Graaff-generator som drivs av Australian National University för detta ändamål producerar en potentialskillnad på 15 miljoner volt.