Triboelektrisk effekt og TENG nanogeneratorer

Den triboelektriske effekten er fenomenet med utseendet av elektriske ladninger i noen materialer når de gni mot hverandre. Denne effekten er iboende en manifestasjon kontakt elektrifisering, som har vært kjent for menneskeheten siden antikken.

Til og med Thales av Miletsky observerte dette fenomenet i eksperimenter med en ravstav gnidd med ull. Selve ordet "elektrisitet" stammer forresten derfra, for oversatt fra gresk betyr ordet "elektron" rav.

Materialer som kan utvise en triboelektrisk effekt kan ordnes i såkalt triboelektrisk rekkefølge: glass, pleksiglass, nylon, ull, silke, cellulose, bomull, rav, polyuretan, polystyren, teflon, gummi, polyetylen, etc.

I begynnelsen av linjen er det betinget "positive" materialer, på slutten - betinget "negative". Hvis du tar to materialer av denne rekkefølgen og gnir dem mot hverandre, vil materialet nærmere den "positive" siden være positivt ladet og det andre negativt ladet. For første gang ble en triboelektrisk serie satt sammen i 1757 av den svenske fysikeren Johann Carl Wilke.

Fra et fysisk synspunkt vil det ene av de to materialene som gnis mot hverandre være positivt ladet, som skiller seg fra det andre ved sin større dielektriske konstant. Denne empiriske modellen kalles Cohens regel og er hovedsakelig assosiert med til dielektrikum.

Når et par kjemisk identiske dielektrika gni mot hverandre, vil den tettere få en positiv ladning. I flytende dielektriske stoffer vil et stoff med høyere dielektrisitetskonstant eller høyere overflatespenning være positivt ladet. Metaller, på den annen side, kan når de gnis mot overflaten av et dielektrikum, bli både positivt og negativt elektrifisert.

Graden av elektrifisering av kropper som gnis mot hverandre er mer betydelig, jo større overflaten deres er. Friksjonen av støv på overflaten av kroppen som det skilt seg fra (glass, marmor, snøstøv, etc.) er negativt ladet. Når støvet siktes gjennom en sil, lades også støvpartiklene.

Den triboelektriske effekten i faste stoffer kan forklares som følger. Ladningsbærere beveger seg fra en kropp til en annen. I halvledere og metaller skyldes den triboelektriske effekten bevegelse av elektroner fra et materiale med lavere arbeidsfunksjon til et materiale med høyere arbeidsfunksjon.

Når et dielektrikum gnis mot et metall, oppstår triboelektrisk elektrifisering på grunn av overgangen av elektroner fra metallet til dielektrikumet. Når et par dielektriske stoffer gni sammen, oppstår fenomenet på grunn av gjensidig penetrasjon av de tilsvarende ionene og elektronene.

Et betydelig bidrag til alvorlighetsgraden av den triboelektriske effekten kan være de forskjellige gradene av oppvarming av kroppene i prosessen med deres friksjon mot hverandre, siden dette faktum forårsaker forskyvning av bærere fra lokale inhomogeniteter av et mer oppvarmet stoff - "sant" triboelektrisitet. I tillegg kan mekanisk fjerning av individuelle overflateelementer av piezoelektrikk eller pyroelektrikk føre til en triboelektrisk effekt.

Brukt på væsker er manifestasjonen av den triboelektriske effekten relatert til utseendet av elektriske doble lag ved grensesnittet mellom to flytende medier eller ved grensesnittet mellom en væske og et fast stoff. Når væsker gnis mot metaller (under strømning eller støtsprut), triboelektrisitet oppstår på grunn av separasjon av ladninger ved grensesnittet mellom metallet og væsken.

Elektrifisering ved å gni to flytende dielektriske stoffer er forårsaket av tilstedeværelsen av elektriske doble lag ved grensesnittet mellom væsker hvis dielektriske konstanter er forskjellige. Som nevnt ovenfor (i henhold til Cohens regel), er en væske med lavere dielektrisk konstant negativt ladet, og en væske med en høyere er positivt ladet.

Den triboelektriske effekten ved spruting av væsker på grunn av støt på overflaten av et fast dielektrikum eller på overflaten av en væske er forårsaket av ødeleggelsen av elektriske doble lag ved grensen mellom væske og gass (elektrifiseringen i fossefall skjer nettopp ved denne mekanismen) .

Selv om triboelektrisitet i noen situasjoner fører til uønsket akkumulering av elektriske ladninger i dielektrikum, som for eksempel på syntetisk stoff, brukes den triboelektriske effekten i dag i studiet av energispekteret til elektronfeller i faste stoffer, så vel som i mineralogi for å studere luminescerende sentre , mineraler, bestemme betingelsene for dannelsen av bergarter og deres alder.

TENG triboelektriske nanogeneratorer

Ved første øyekast ser den triboelektriske effekten ut til å være energisk svak og ineffektiv på grunn av den lave og ustabile tettheten av elektrisk ladning som er involvert i denne prosessen. Imidlertid har en gruppe forskere ved Georgia Tech funnet en måte å forbedre energiegenskapene til effekten.

Metoden er å eksitere nanogeneratorsystemet i retning av den høyeste og mest stabile utgangseffekten, slik det vanligvis gjøres med hensyn til tradisjonelle induksjonsgeneratorer med magnetisk eksitasjon.

I forbindelse med godt utformede resulterende spenningsmultiplikasjonsskjemaer, er et system med ekstern selvladingseksitasjon i stand til å vise ladningstettheter på over 1,25 mC per kvadratmeter. Husk at den resulterende elektriske kraften er proporsjonal med kvadratet av den gitte mengden.

Utviklingen av forskere åpner et reelt perspektiv for etableringen i nær fremtid av praktiske og høyytelses triboelektriske nanogeneratorer (TENG, TENG) for lading av bærbar elektronikk med energi hentet hovedsakelig fra de daglige mekaniske bevegelsene til menneskekroppen.

Nanogeneratorer lover å ha lav vekt, lave kostnader, og vil også tillate deg å velge for deres opprettelse de materialene som mest effektivt vil generere ved lave frekvenser i størrelsesorden 1-4 Hz.

En krets med ekstern ladningspumping (ligner på en induksjonsgenerator med ekstern eksitasjon) anses som mer lovende for øyeblikket, når en del av den genererte energien brukes til å støtte generasjonsprosessen og øke arbeidsladningstettheten.

Som utviklet av utviklerne, vil separasjonen av generatorkondensatorene og den eksterne kondensatoren tillate spennende generering gjennom de eksterne elektrodene uten direkte å påvirke det triboelektriske laget.

Den eksiterte ladningen tilføres elektroden til hoved TENG nanogeneratoren (TENG), mens ladningseksitasjonssystemet og hovedutgangslasten TENG fungerer som uavhengige systemer.

Med en rasjonell utforming av ladningseksitasjonsmodulen kan den akkumulerte ladningen i den fylles på ved tilbakemelding fra TENG selv under utladningsprosessen. På denne måten oppnås selveksitering av TENG.

I løpet av forskningen studerte forskerne effekten på generasjonseffektiviteten til ulike eksterne faktorer, som: typen og tykkelsen på dielektrikumet, materialet til elektrodene, frekvensen, fuktigheten osv. På dette stadiet, det TENG triboelektriske laget inkluderer en polyimid dielektrisk kaptonfilm med en tykkelse på 5 mikron, og elektrodene er laget av kobber og aluminium.

Den nåværende prestasjonen er at etter 50 sekunders drift med en frekvens på bare 1 Hz, blir ladningen begeistret ganske effektivt, noe som gir håp om etableringen i nær fremtid av stabile nanogeneratorer for brede bruksområder.

I TENG-strukturen med ekstern ladningseksitasjon oppnås separasjonen av kapasitansene til hovedgeneratoren og utgangslastkondensatoren ved å separere tre kontakter og bruke isolerende filmer med forskjellige dielektriske egenskaper for å oppnå en relativt stor endring i kapasitanser.

Først tilføres ladningen fra spenningskilden til hoved-TENG, på hvis kapasitans spenningen bygges opp mens enheten er i kontakttilstand med maksimal kapasitans. Så snart de to elektrodene skilles, øker spenningen på grunn av en reduksjon i kapasitans og ladningsstrømmer fra basiskondensatoren til lagringskondensatoren til en likevektstilstand er nådd.

I neste kontakttilstand går ladningen tilbake til hoved-TENG og bidrar til generering av energi, som vil være større jo høyere dielektrisitetskonstanten til filmen i hovedkondensatoren. Oppnåelse av designspenningsnivået gjøres ved hjelp av en diodemultiplikator.