Triboelektrisk effekt og TENG nanogeneratorer

Den triboelektriske effekt er fænomenet med udseendet af elektriske ladninger i nogle materialer, når de gnider mod hinanden. Denne effekt er i sagens natur en manifestation kontakt elektrificering, som har været kendt af menneskeheden siden oldtiden.

Selv Thales af Miletsky observerede dette fænomen i eksperimenter med en ravpind, der blev gnidet med uld. For øvrigt stammer selve ordet "elektricitet" derfra, for oversat fra græsk betyder ordet "elektron" rav.

Materialer, der kan udvise en triboelektrisk effekt, kan arrangeres i den såkaldte triboelektriske rækkefølge: glas, plexiglas, nylon, uld, silke, cellulose, bomuld, rav, polyurethan, polystyren, teflon, gummi, polyethylen osv.

I begyndelsen af ​​linjen er der betinget "positive" materialer, i slutningen - betinget "negative". Hvis du tager to materialer af denne rækkefølge og gnider dem mod hinanden, så vil materialet tættere på den "positive" side være positivt ladet og det andet negativt ladet. For første gang blev en triboelektrisk serie kompileret i 1757 af den svenske fysiker Johann Carl Wilke.

Fra et fysisk synspunkt vil det ene af de to materialer, der gnider mod hinanden, være positivt ladet, hvilket adskiller sig fra det andet ved sin større dielektriske konstant. Denne empiriske model kaldes Cohens regel og er hovedsageligt forbundet med til dielektrikum.

Når et par kemisk identiske dielektrika gnider mod hinanden, vil den tættere få en positiv ladning. I flydende dielektrika vil et stof med en højere dielektrisk konstant eller højere overfladespænding være positivt ladet. Metaller på den anden side, når de gnides mod overfladen af ​​et dielektrikum, kan blive både positivt og negativt elektrificeret.

Graden af ​​elektrificering af kroppe, der gnider mod hinanden, er mere signifikant, jo større arealet af deres overflader. Friktionen af ​​støv på overfladen af ​​kroppen, som det adskilte fra (glas, marmor, snestøv osv.) er negativt ladet. Når støvet sigtes gennem en sigte, oplades støvpartiklerne også.

Den triboelektriske effekt i faste stoffer kan forklares som følger. Ladningsbærere bevæger sig fra en krop til en anden. I halvledere og metaller skyldes den triboelektriske effekt bevægelse af elektroner fra et materiale med en lavere arbejdsfunktion til et materiale med en højere arbejdsfunktion.

Når et dielektrikum gnider mod et metal, opstår triboelektrisk elektrificering på grund af overgangen af ​​elektroner fra metallet til dielektrikumet. Når et par dielektrika gnider sammen, opstår fænomenet på grund af den gensidige penetration af de tilsvarende ioner og elektroner.

Et væsentligt bidrag til sværhedsgraden af ​​den triboelektriske effekt kan være de forskellige grader af opvarmning af kroppe i processen med deres friktion mod hinanden, da dette faktum forårsager forskydning af bærere fra lokale inhomogeniteter af et mere opvarmet stof - "sandt" triboelektricitet. Derudover kan mekanisk fjernelse af individuelle overfladeelementer af piezoelektrik eller pyroelektrik føre til en triboelektrisk effekt.

Anvendt på væsker er manifestationen af ​​den triboelektriske effekt relateret til udseendet af elektriske dobbeltlag ved grænsefladen mellem to flydende medier eller ved grænsefladen mellem en væske og et fast stof. Når væsker gnider mod metaller (under strømnings- eller stødsprøjt), triboelektricitet opstår på grund af adskillelsen af ​​ladninger ved grænsefladen mellem metallet og væsken.

Elektrificering ved at gnide to flydende dielektrikum er forårsaget af tilstedeværelsen af ​​elektriske dobbeltlag ved grænsefladen mellem væsker, hvis dielektriske konstanter er forskellige. Som nævnt ovenfor (ifølge Cohens regel) er en væske med en lavere dielektrisk konstant negativt ladet, og en væske med en højere er positivt ladet.

Den triboelektriske effekt ved sprøjtning af væsker på grund af stød på overfladen af ​​et fast dielektrikum eller på overfladen af ​​en væske er forårsaget af ødelæggelsen af ​​elektriske dobbeltlag ved grænsen mellem væske og gas (elektrificeringen i vandfald sker netop ved denne mekanisme) .

Selvom triboelektricitet i nogle situationer fører til uønsket akkumulering af elektriske ladninger i dielektrikum, såsom på syntetiske stoffer, bruges den triboelektriske effekt ikke desto mindre i dag i studiet af energispektret af elektronfælder i faste stoffer, såvel som i mineralogi til at studere luminescerende centre , mineraler, bestemme betingelserne for dannelsen af ​​sten og deres alder.

TENG triboelektriske nanogeneratorer

Ved første øjekast ser den triboelektriske effekt ud til at være energisk svag og ineffektiv på grund af den lave og ustabile tæthed af elektrisk ladning involveret i denne proces. Imidlertid har en gruppe forskere ved Georgia Tech fundet en måde at forbedre effektens energiegenskaber på.

Metoden er at excitere nanogeneratorsystemet i retning af den højeste og mest stabile udgangseffekt, som man normalt gør med hensyn til traditionelle induktionsgeneratorer med magnetisk excitation.

I forbindelse med veldesignede resulterende spændingsmultiplikationsskemaer er et system med ekstern selvopladningsexcitation i stand til at udvise ladningstætheder på over 1,25 mC pr. kvadratmeter. Husk, at den resulterende elektriske effekt er proportional med kvadratet af den givne mængde.

Udviklingen af ​​videnskabsmænd åbner en reel udsigt til skabelsen i den nærmeste fremtid af praktiske og højtydende triboelektriske nanogeneratorer (TENG, TENG) til opladning af bærbar elektronik med energi, der hovedsageligt er opnået fra den menneskelige krops daglige mekaniske bevægelser.

Nanogeneratorer lover at have lav vægt, lave omkostninger og vil også give dig mulighed for at vælge til deres skabelse de materialer, der mest effektivt vil generere ved lave frekvenser i størrelsesordenen 1-4 Hz.

Et kredsløb med ekstern ladningspumpning (svarende til en induktionsgenerator med ekstern excitation) anses for at være mere lovende i øjeblikket, hvor en del af den genererede energi bruges til at understøtte genereringsprocessen og øge arbejdsladningstætheden.

Som tænkt af udviklerne, vil adskillelsen af ​​generatorkondensatorerne og den eksterne kondensator tillade spændende generering gennem de eksterne elektroder uden direkte at påvirke det triboelektriske lag.

Den exciterede ladning tilføres elektroden på TENG-hoved-nanogeneratoren (TENG), mens ladnings-excitationssystemet og hovedudgangsbelastningen TENG fungerer som uafhængige systemer.

Med et rationelt design af ladningsexcitationsmodulet kan den akkumulerede ladning i det genopfyldes ved feedback fra selve TENG'en under afladningsprocessen. På denne måde opnås selv-excitering af TENG.

I løbet af forskningen undersøgte forskerne effekten på genereringseffektiviteten af ​​forskellige eksterne faktorer, såsom: typen og tykkelsen af ​​dielektrikumet, materialet af elektroderne, frekvensen, fugtigheden osv. På dette stadium, det TENG triboelektriske lag inkluderer en polyimid dielektrisk kaptonfilm med en tykkelse på 5 mikron, og elektroderne er lavet af kobber og aluminium.

Den nuværende præstation er, at efter 50 sekunders drift ved en frekvens på kun 1 Hz, exciteres ladningen ganske effektivt, hvilket giver håb om skabelsen i den nærmeste fremtid af stabile nanogeneratorer til brede applikationer.

I TENG-strukturen med ekstern ladningsexcitation opnås adskillelsen af ​​kapacitanserne for hovedgeneratoren og udgangsbelastningskondensatoren ved at adskille tre kontakter og bruge isolerende film med forskellige dielektriske egenskaber for at opnå en relativt stor ændring i kapacitanser.

Først tilføres ladningen fra spændingskilden til hoved-TENG, på hvis kapacitans spændingen opbygges, mens enheden er i kontakttilstand med maksimal kapacitans. Så snart de to elektroder adskilles, stiger spændingen på grund af et fald i kapacitansen, og ladningen strømmer fra basiskondensatoren til lagerkondensatoren, indtil en ligevægtstilstand er nået.

I den næste kontakttilstand vender ladningen tilbage til hoved-TENG og bidrager til genereringen af ​​energi, som vil være større, jo højere dielektrisk konstant for filmen i hovedkondensatoren. Opnåelsen af ​​designspændingsniveauet sker ved hjælp af en diodemultiplikator.