Triboelektrisk effekt och TENG nanogeneratorer

Den triboelektriska effekten är fenomenet med uppkomsten av elektriska laddningar i vissa material när de gnider mot varandra. Denna effekt är i sig en manifestation kontakta elektrifiering, som har varit känt för mänskligheten sedan urminnes tider.

Till och med Thales av Miletsky observerade detta fenomen i experiment med en bärnstensfärgad pinne som gnides med ull. Förresten, själva ordet "elektricitet" kommer därifrån, för översatt från grekiska betyder ordet "elektron" bärnsten.

Material som kan uppvisa en triboelektrisk effekt kan ordnas i den så kallade triboelektriska ordningen: glas, plexiglas, nylon, ull, siden, cellulosa, bomull, bärnsten, polyuretan, polystyren, teflon, sudd, polyeten, etc.

I början av raden finns villkorligt "positiva" material, i slutet - villkorligt "negativa". Om du tar två material av denna ordning och gnider dem mot varandra, kommer materialet närmare den "positiva" sidan att vara positivt laddat och det andra negativt laddat. För första gången sammanställdes en triboelektrisk serie 1757 av den svenske fysikern Johann Carl Wilke.

Ur en fysisk synvinkel kommer det ena av de två materialen som gnider mot varandra att vara positivt laddat, vilket skiljer sig från det andra genom sin större dielektriska konstant. Denna empiriska modell kallas Cohens regel och förknippas främst med till dielektrikum.

När ett par kemiskt identiska dielektrika gnider mot varandra, kommer den tätare att få en positiv laddning. I flytande dielektrikum kommer ett ämne med högre dielektricitetskonstant eller högre ytspänning att vara positivt laddat. Metaller, å andra sidan, kan, när de gnides mot ytan av ett dielektrikum, bli både positivt och negativt elektrifierade.

Graden av elektrifiering av kroppar som gnider mot varandra är mer betydande, ju större ytan på deras ytor. Friktionen av damm på den yta av kroppen som den separerade från (glas, marmor, snödamm, etc.) är negativt laddad. När dammet siktas genom en såll laddas även dammpartiklarna.

Den triboelektriska effekten i fasta ämnen kan förklaras enligt följande. Laddningsbärare rör sig från en kropp till en annan. I halvledare och metaller beror den triboelektriska effekten på förflyttning av elektroner från ett material med lägre arbetsfunktion till ett material med högre arbetsfunktion.

När ett dielektrikum gnider mot en metall uppstår triboelektrisk elektrifiering på grund av övergången av elektroner från metallen till dielektrikumet. När ett par dielektrika gnider ihop uppstår fenomenet på grund av den ömsesidiga penetrationen av motsvarande joner och elektroner.

Ett betydande bidrag till svårighetsgraden av den triboelektriska effekten kan vara de olika graderna av uppvärmning av kropparna i processen för deras friktion mot varandra, eftersom detta faktum orsakar förskjutning av bärare från lokala inhomogeniteter av ett mer upphettat ämne - "sant" triboelektricitet. Dessutom kan mekaniskt avlägsnande av individuella ytelement av piezoelektrik eller pyroelektrik leda till en triboelektrisk effekt.

Tillämpad på vätskor är manifestationen av den triboelektriska effekten relaterad till uppkomsten av elektriska dubbla lager vid gränsytan mellan två flytande medier eller vid gränsytan mellan en vätska och ett fast ämne. När vätskor gnider mot metaller (under flöde eller stötstänk), triboelektricitet uppstår på grund av separationen av laddningar vid gränsytan mellan metallen och vätskan.

Elektrifiering genom att gnida två flytande dielektrika orsakas av närvaron av elektriska dubbla skikt vid gränsytan mellan vätskor vars dielektriska konstanter är olika. Som nämnts ovan (enligt Cohens regel) är en vätska med en lägre dielektricitetskonstant negativt laddad, och en vätska med en högre är positivt laddad.

Den triboelektriska effekten vid stänk av vätskor på grund av stötar på ytan av ett fast dielektrikum eller på ytan av en vätska orsakas av förstörelsen av elektriska dubbla lager vid gränsen mellan vätska och gas (elektrifieringen i vattenfall sker just genom denna mekanism) .

Även om triboelektricitet i vissa situationer leder till oönskad ackumulering av elektriska laddningar i dielektrikum, såsom på syntetiskt tyg, används den triboelektriska effekten i dag i studien av energispektrumet för elektronfällor i fasta ämnen, såväl som i mineralogi för att studera luminiscerande centra , mineraler, bestämma villkoren för bildandet av bergarter och deras ålder.

TENG triboelektriska nanogeneratorer

Vid första anblicken verkar den triboelektriska effekten vara energiskt svag och ineffektiv på grund av den låga och instabila tätheten av elektrisk laddning som är involverad i denna process. Men en grupp forskare vid Georgia Tech har hittat ett sätt att förbättra effektens energiegenskaper.

Metoden går ut på att excitera nanogeneratorsystemet i riktning mot den högsta och mest stabila uteffekten, vilket vanligtvis görs med avseende på traditionella induktionsgeneratorer med magnetisk excitation.

I samband med väldesignade resulterande spänningsmultiplikationsscheman kan ett system med extern självladdningsexcitering uppvisa laddningstätheter över 1,25 mC per kvadratmeter. Kom ihåg att den resulterande elektriska effekten är proportionell mot kvadraten på den givna kvantiteten.

Utvecklingen av forskare öppnar ett verkligt perspektiv för skapandet inom en snar framtid av praktiska och högpresterande triboelektriska nanogeneratorer (TENG, TENG) för laddning av bärbar elektronik med energi som huvudsakligen erhålls från människokroppens dagliga mekaniska rörelser.

Nanogeneratorer lovar att ha låg vikt, låg kostnad och låter dig också välja de material som mest effektivt genererar vid låga frekvenser i storleksordningen 1-4 Hz för att skapa dem.

En krets med extern laddningspumpning (liknande en induktionsgenerator med extern excitation) anses vara mer lovande för tillfället, när en del av den genererade energin används för att stödja genereringsprocessen och öka arbetsladdningstätheten.

Enligt utvecklarnas uppfattning kommer separationen av generatorkondensatorerna och den externa kondensatorn att möjliggöra spännande generering genom de externa elektroderna utan att direkt påverka det triboelektriska lagret.

Den exciterade laddningen tillförs elektroden på den huvudsakliga TENG nanogeneratorn (TENG), medan laddningsexciteringssystemet och huvudutgångsbelastningen TENG fungerar som oberoende system.

Med en rationell design av laddningsexciteringsmodulen kan den ackumulerade laddningen i den fyllas på genom återkoppling från själva TENG under urladdningsprocessen. På detta sätt uppnås självexcitering av TENG.

Under forskningens gång studerade forskarna effekten på genereringseffektiviteten av olika externa faktorer, såsom: typen och tjockleken på dielektrikumet, materialet på elektroderna, frekvensen, luftfuktigheten, etc. I detta skede, det TENG triboelektriska skiktet inkluderar en polyimid dielektrisk kaptonfilm med en tjocklek på 5 mikron, och elektroderna är gjorda av koppar och aluminium.

Den nuvarande prestationen är att efter 50 sekunders drift med en frekvens på endast 1 Hz, exciteras laddningen ganska effektivt, vilket ger hopp om skapandet inom en snar framtid av stabila nanogeneratorer för breda tillämpningar.

I TENG-strukturen med extern laddningsexcitation uppnås separationen av kapacitanserna för huvudgeneratorn och utgångsbelastningskondensatorn genom att separera tre kontakter och använda isolerande filmer med olika dielektriska egenskaper för att uppnå en relativt stor förändring i kapacitanser.

Först tillförs laddningen från spänningskällan till huvud-TENG, på vars kapacitans spänningen byggs upp medan enheten är i kontakttillståndet med maximal kapacitans. Så snart de två elektroderna separeras ökar spänningen på grund av en minskning av kapacitansen och laddningsflöden från baskondensatorn till lagringskondensatorn tills ett jämviktstillstånd uppnås.

I nästa kontakttillstånd återgår laddningen till huvud-TENG och bidrar till genereringen av energi, som blir större ju högre dielektricitetskonstanten för filmen i huvudkondensatorn. Att uppnå designspänningsnivån görs med hjälp av en diodmultiplikator.