Efect triboelectric și nanogeneratoare TENG

Efectul triboelectric este fenomenul de apariție a sarcinilor electrice în unele materiale atunci când se freacă unele de altele. Acest efect este în mod inerent o manifestare electrificarea contactului, care este cunoscută omenirii din cele mai vechi timpuri.

Chiar și Thales din Miletsky a observat acest fenomen în experimente cu un bețișor de chihlimbar frecat cu lână. Apropo, chiar cuvântul „electricitate” provine de acolo, deoarece tradus din greacă, cuvântul „electron” înseamnă chihlimbar.

Materialele care pot prezenta un efect triboelectric pot fi aranjate în așa-numita ordine triboelectrică: sticlă, plexiglas, nailon, lână, mătase, celuloză, bumbac, chihlimbar, poliuretan, polistiren, teflon, cauciuc, polietilenă etc.

La începutul liniei există materiale condiționat „pozitive”, la sfârșit - condiționat „negative”. Dacă luați două materiale de acest ordin și le frecați unul împotriva celuilalt, atunci materialul mai aproape de partea „pozitivă” va fi încărcat pozitiv, iar celălalt încărcat negativ. Pentru prima dată, o serie triboelectrică a fost compilată în 1757 de către fizicianul suedez Johann Carl Wilke.

Din punct de vedere fizic, cel din cele două materiale care se freacă unul de celălalt va fi încărcat pozitiv, care diferă de celălalt prin constanta sa dielectrică mai mare. Acest model empiric se numește regula lui Cohen și este asociat în principal cu la dielectrici.

Când o pereche de dielectrici identici din punct de vedere chimic se freacă unul de celălalt, cel mai dens va dobândi o sarcină pozitivă. În dielectricii lichidi, o substanță cu o constantă dielectrică mai mare sau o tensiune superficială mai mare va fi încărcată pozitiv. Metalele, pe de altă parte, atunci când sunt frecate de suprafața unui dielectric, pot deveni atât electrificate pozitiv, cât și negativ.

Gradul de electrificare al corpurilor care se freacă unul de celălalt este mai semnificativ, cu cât suprafața suprafețelor lor este mai mare. Frecarea prafului pe suprafața corpului de care s-a separat (sticlă, marmură, praf de zăpadă etc.) este încărcată negativ. Când praful este cernut printr-o sită, particulele de praf sunt de asemenea încărcate.

Efectul triboelectric în solide poate fi explicat după cum urmează. Purtătorii de încărcare se deplasează de la un corp la altul. În semiconductori și metale, efectul triboelectric se datorează mișcării electronilor dintr-un material cu o funcție de lucru mai scăzută la un material cu o funcție de lucru mai mare.

Când un dielectric se freacă de un metal, electrificarea triboelectrică are loc datorită tranziției electronilor de la metal la dielectric. Când o pereche de dielectrici se freacă împreună, fenomenul are loc datorită pătrunderii reciproce a ionilor și electronilor corespunzători.

O contribuție semnificativă la severitatea efectului triboelectric poate fi diferitele grade de încălzire ale corpurilor în procesul de frecare unul față de celălalt, deoarece acest fapt provoacă deplasarea purtătorilor de neomogenitățile locale ale unei substanțe mai încălzite - „adevărat” triboelectricitate. În plus, îndepărtarea mecanică a elementelor individuale de suprafață ale piezoelectricilor sau piroelectricilor poate duce la un efect triboelectric.

Aplicat la lichide, manifestarea efectului triboelectric este legată de apariția unor straturi duble electrice la interfața dintre două medii lichide sau la interfața dintre un lichid și un solid.Când lichidele se freacă de metale (în timpul curgerii sau impactului stropilor), triboelectricitatea apare ca urmare a separării sarcinilor la interfața dintre metal și lichid.

Electrificarea prin frecarea a doi dielectrici lichidi este cauzata de prezenta unor straturi electrice duble la interfata dintre lichide ale caror constante dielectrice sunt diferite. După cum sa menționat mai sus (conform regulii lui Cohen), un lichid cu o constantă dielectrică mai mică este încărcat negativ, iar un lichid cu una mai mare este încărcat pozitiv.

Efectul triboelectric la stropirea lichidelor din cauza impactului pe suprafața unui dielectric solid sau pe suprafața unui lichid este cauzat de distrugerea straturilor duble electrice la limita dintre lichid și gaz (electrificarea în cascade are loc tocmai prin acest mecanism) .

Deși triboelectricitatea duce în unele situații la acumularea nedorită de sarcini electrice în dielectrici, cum ar fi pe țesătura sintetică, efectul triboelectric este totuși utilizat astăzi în studiul spectrului energetic al capcanelor de electroni din solide, precum și în mineralogie pentru a studia centrii luminescenți. , minerale, determinând condițiile de formare a rocilor și vârsta acestora.

nanogeneratoare triboelectrice TENG

La prima vedere, efectul triboelectric pare a fi slab din punct de vedere energetic și ineficient datorită densității scăzute și instabile a sarcinii electrice implicate în acest proces. Cu toate acestea, un grup de oameni de știință de la Georgia Tech au găsit o modalitate de a îmbunătăți caracteristicile energetice ale efectului.

Metoda este de a excita sistemul nanogenerator în direcția celei mai mari și mai stabile puteri de ieșire, așa cum se face de obicei în ceea ce privește generatoarele tradiționale de inducție cu excitație magnetică.

În combinație cu schemele de multiplicare a tensiunii rezultate bine concepute, un sistem cu excitație externă de autoîncărcare este capabil să prezinte densități de încărcare mai mari de 1,25 mC pe metru pătrat. Amintiți-vă că puterea electrică rezultată este proporțională cu pătratul mărimii date.

Dezvoltarea oamenilor de știință deschide o perspectivă reală pentru crearea în viitorul apropiat a nanogeneratoarelor triboelectrice practice și performante (TENG, TENG) pentru încărcarea electronicelor portabile cu energie obținută în principal din mișcările mecanice zilnice ale corpului uman.

Nanogeneratoarele promit să aibă greutate redusă, costuri reduse și, de asemenea, vă vor permite să alegeți pentru crearea lor acele materiale care vor genera cel mai eficient la frecvențe joase de ordinul 1-4 Hz.

Un circuit cu pompare externă a sarcinii (similar unui generator de inducție cu excitație externă) este considerat mai promițător în acest moment, când o parte din energia generată este utilizată pentru a sprijini procesul de generare și pentru a crește densitatea sarcinii de lucru.

Așa cum a fost concepută de dezvoltatori, separarea condensatorilor generatorului și a condensatorului extern va permite generarea excitantă prin electrozii externi fără a afecta direct stratul triboelectric.

Sarcina excitată este furnizată electrodului nanogeneratorului principal TENG (TENG), în timp ce sistemul de excitare a sarcinii și sarcina principală de ieșire TENG funcționează ca sisteme independente.

Cu un design rațional al modulului de excitare a încărcăturii, sarcina acumulată în acesta poate fi completată prin feedback de la TENG însuși în timpul procesului de descărcare. În acest fel, se realizează autoexcitarea TENG.

În cursul cercetării, oamenii de știință au studiat efectul asupra eficienței de generare a diverșilor factori externi, cum ar fi: tipul și grosimea dielectricului, materialul electrozilor, frecvența, umiditatea etc. În această etapă, stratul triboelectric TENG include o peliculă kapton dielectrică de poliimidă cu o grosime de 5 microni, iar electrozii sunt fabricați din cupru și aluminiu.

Realizarea actuală este că, după 50 de secunde de funcționare la o frecvență de doar 1 Hz, încărcarea este excitată destul de eficient, ceea ce dă speranță pentru crearea în viitorul apropiat a nanogeneratoarelor stabile pentru aplicații largi.

În structura TENG cu excitație externă a sarcinii, separarea capacităților generatorului principal și a condensatorului de sarcină de ieșire se realizează prin separarea a trei contacte și utilizarea foliilor izolatoare cu caracteristici dielectrice diferite pentru a obține o modificare relativ mare a capacităților.

În primul rând, încărcarea de la sursa de tensiune este furnizată la TENG principal, pe a cărui capacitate se acumulează tensiunea în timp ce dispozitivul se află în starea de contact de capacitate maximă. De îndată ce cei doi electrozi se separă, tensiunea crește din cauza scăderii capacității și sarcina curge de la condensatorul de bază la condensatorul de stocare până la atingerea unei stări de echilibru.

În următoarea stare de contact, sarcina revine la TENG principal și contribuie la generarea de energie, care va fi mai mare cu cât constanta dielectrică a peliculei din condensatorul principal este mai mare. Atingerea nivelului de tensiune de proiectare se face folosind un multiplicator de diode.