Triboelektriskais efekts un TENG nanoģeneratori

Triboelektriskais efekts ir elektrisko lādiņu parādīšanās dažos materiālos, kad tie berzē viens pret otru. Šis efekts pēc būtības ir izpausme kontaktu elektrifikācija, kas cilvēcei ir pazīstama kopš seniem laikiem.

Pat Thales of Miletsky novēroja šo parādību eksperimentos ar dzintara nūju, kas berzēta ar vilnu. Starp citu, no turienes cēlies arī pats vārds "elektrība", jo tulkojumā no grieķu valodas vārds "elektrons" nozīmē dzintars.

Materiālus, kuriem var būt triboelektrisks efekts, var sakārtot tā sauktajā triboelektriskajā secībā: stikls, organiskais stikls, neilons, vilna, zīds, celuloze, kokvilna, dzintars, poliuretāns, polistirols, teflons, gumijas, polietilēns utt.

Rindas sākumā ir nosacīti "pozitīvie" materiāli, beigās - nosacīti "negatīvi". Ja paņem divus šādas kārtas materiālus un berzē tos vienu pret otru, tad materiāls, kas atrodas tuvāk "pozitīvajai" pusei, būs pozitīvi uzlādēts, bet otrs negatīvi. Pirmo reizi triboelektrisko sēriju 1757. gadā sastādīja zviedru fiziķis Johans Karls Vilks.

No fiziskā viedokļa viens no diviem materiāliem, kas berzē viens pret otru, būs pozitīvi lādēts, kas atšķiras no otra ar lielāku dielektrisko konstanti. Šo empīrisko modeli sauc par Koena likumu, un tas galvenokārt ir saistīts ar uz dielektriķiem.

Kad pāris ķīmiski identiski dielektriķi berzē viens pret otru, blīvākais iegūs pozitīvu lādiņu. Šķidrajos dielektriķos viela ar augstāku dielektrisko konstanti vai augstāku virsmas spraigumu būs pozitīvi uzlādēta. Savukārt metāli, berzējot pret dielektriķa virsmu, var elektrificēties gan pozitīvi, gan negatīvi.

Ķermeņu elektrifikācijas pakāpe, kas berzē viens pret otru, ir nozīmīgāka, jo lielāka ir to virsmu platība. Putekļu berze uz ķermeņa virsmas, no kuras tie atdalījās (stikls, marmors, sniega putekļi utt.), ir negatīvi uzlādēta. Kad putekļi tiek izsijāti caur sietu, tiek uzlādētas arī putekļu daļiņas.

Triboelektrisko efektu cietās vielās var izskaidrot šādi. Uzlādes nesēji pārvietojas no viena ķermeņa uz otru. Pusvadītājos un metālos triboelektrisko efektu rada elektronu kustība no materiāla ar zemāku darba funkciju uz materiālu ar augstāku darba funkciju.

Kad dielektriķis berzē pret metālu, notiek triboelektriskā elektrifikācija, pateicoties elektronu pārejai no metāla uz dielektriķi. Kad dielektriķu pāris berzējas kopā, parādība rodas attiecīgo jonu un elektronu savstarpējas iespiešanās dēļ.

Būtisks ieguldījums triboelektriskā efekta nopietnībā var būt dažādas ķermeņu sildīšanas pakāpes to berzes procesā viens pret otru, jo šis fakts izraisa nesēju pārvietošanos no vairāk apsildāmas vielas lokālām neviendabībām - "patiesa". triboelektrība. Turklāt atsevišķu pjezoelektrisko vai piroelektrisko elementu virsmas elementu mehāniska noņemšana var izraisīt triboelektrisko efektu.

Lietojot uz šķidrumiem, triboelektriskā efekta izpausme ir saistīta ar elektrisku dubultslāņu parādīšanos saskarnē starp divām šķidrām vidēm vai saskarē starp šķidrumu un cietu vielu.Kad šķidrumi berzējas pret metāliem (plūsmas vai trieciena šļakatu laikā) triboelektrība rodas lādiņu atdalīšanas dēļ saskarnē starp metālu un šķidrumu.

Elektrifikāciju, berzējot divus šķidros dielektriķus, izraisa elektrisku dubultslāņu klātbūtne saskarnē starp šķidrumiem, kuru dielektriskās konstantes ir atšķirīgas. Kā minēts iepriekš (saskaņā ar Koena likumu), šķidrums ar zemāku dielektrisko konstanti ir negatīvi uzlādēts, bet šķidrums ar augstāku - pozitīvi.

Triboelektrisko efektu, izšļakstot šķidrumus, ko izraisa trieciens uz cieta dielektriķa virsmu vai šķidruma virsmu, izraisa elektrisko dubultslāņu iznīcināšana uz šķidruma un gāzes robežas (elektrifikācija ūdenskritumos notiek tieši ar šo mehānismu) .

Lai gan triboelektrība dažās situācijās izraisa nevēlamu elektrisko lādiņu uzkrāšanos dielektriķos, piemēram, uz sintētiskā auduma, triboelektrisko efektu mūsdienās tomēr izmanto, pētot elektronu slazdu enerģijas spektru cietās vielās, kā arī mineraloģijā, lai pētītu luminiscences centrus. , minerālvielas, nosakot iežu veidošanās apstākļus un to vecumu.

TENG triboelektriskie nanoģeneratori

No pirmā acu uzmetiena šķiet, ka triboelektriskais efekts ir enerģētiski vājš un neefektīvs, jo šajā procesā iesaistītais elektriskā lādiņš ir zems un nestabils. Tomēr Georgia Tech zinātnieku grupa ir atradusi veidu, kā uzlabot efekta enerģētiskās īpašības.

Metode ir nanoģeneratora sistēmas ierosināšana vislielākās un stabilākās izejas jaudas virzienā, kā tas parasti tiek darīts attiecībā uz tradicionālajiem indukcijas ģeneratoriem ar magnētisko ierosmi.

Kopā ar labi izstrādātām sprieguma reizināšanas shēmām sistēma ar ārēju pašizlādes ierosmi spēj uzrādīt lādiņu blīvumu, kas pārsniedz 1,25 mC uz kvadrātmetru. Atcerieties, ka iegūtā elektriskā jauda ir proporcionāla dotā daudzuma kvadrātam.

Zinātnieku attīstība paver reālas perspektīvas tuvākajā nākotnē izveidot praktiskus un augstas veiktspējas triboelektriskos nanoģeneratorus (TENG, TENG) portatīvās elektronikas uzlādēšanai ar enerģiju, kas iegūta galvenokārt no cilvēka ķermeņa ikdienas mehāniskajām kustībām.

Nanoģeneratori solās būt ar mazu svaru, zemām izmaksām, kā arī ļaus jums izvēlēties to veidošanai tos materiālus, kas visefektīvāk ģenerēs zemās frekvencēs 1-4 Hz.

Šobrīd perspektīvāka tiek uzskatīta ķēde ar ārējā lādiņa sūknēšanu (līdzīgi indukcijas ģeneratoram ar ārēju ierosmi), kad daļa no saražotās enerģijas tiek izmantota ģenerēšanas procesa uzturēšanai un darba lādiņa blīvuma palielināšanai.

Kā izdomājuši izstrādātāji, ģeneratora kondensatoru un ārējā kondensatora atdalīšana ļaus aizraujoši ģenerēt caur ārējiem elektrodiem, tieši neietekmējot triboelektrisko slāni.

Ierosinātais lādiņš tiek piegādāts galvenā TENG nanoģeneratora (TENG) elektrodam, savukārt lādiņa ierosmes sistēma un galvenā izejas slodze TENG darbojas kā neatkarīgas sistēmas.

Ar racionālu lādiņa ierosmes moduļa dizainu tajā uzkrāto lādiņu var papildināt ar atgriezenisko saiti no paša TENG izlādes procesa laikā. Tādā veidā tiek panākta TENG pašiedrošanās.

Pētījuma gaitā zinātnieki pētīja dažādu ārējo faktoru ietekmi uz ģenerēšanas efektivitāti, piemēram: dielektriķa veids un biezums, elektrodu materiāls, frekvence, mitrums u.c. TENG triboelektriskajā slānī ir poliimīda dielektriskā kaptona plēve, kuras biezums ir 5 mikroni, un elektrodi ir izgatavoti no vara un alumīnija.

Pašreizējais sasniegums ir tāds, ka pēc 50 sekundēm, kas darbojas tikai ar 1 Hz frekvenci, lādiņš tiek ierosināts diezgan efektīvi, kas dod cerību tuvākajā nākotnē izveidot stabilus nanoģeneratorus plašiem lietojumiem.

TENG konstrukcijā ar ārējo lādiņu ierosmi galvenā ģeneratora un izejas slodzes kondensatora kapacitāti atdalīšana tiek panākta, atdalot trīs kontaktus un izmantojot izolācijas plēves ar dažādiem dielektriskiem raksturlielumiem, lai panāktu salīdzinoši lielas kapacitātes izmaiņas.

Pirmkārt, lādiņš no sprieguma avota tiek piegādāts galvenajam TENG, uz kura kapacitātes uzkrājas spriegums, kamēr ierīce atrodas maksimālās kapacitātes kontakta stāvoklī. Tiklīdz abi elektrodi atdalās, spriegums palielinās kapacitātes samazināšanās dēļ un lādiņš plūst no bāzes kondensatora uz uzglabāšanas kondensatoru, līdz tiek sasniegts līdzsvara stāvoklis.

Nākamajā kontakta stāvoklī lādiņš atgriežas galvenajā TENG un veicina enerģijas ģenerēšanu, kas būs lielāka, jo lielāka būs plēves dielektriskā konstante galvenajā kondensatorā. Projektētā sprieguma līmeņa sasniegšana tiek veikta, izmantojot diodes reizinātāju.