Triboelektrický efekt a nanogenerátory TENG

Triboelektrický efekt je jav, pri ktorom sa v niektorých materiáloch objavujú elektrické náboje, keď sa o seba trú. Tento efekt je vo svojej podstate prejavom kontaktná elektrifikácia, ktorý je ľudstvu známy už od staroveku.

Dokonca aj Thales z Miletského pozoroval tento jav pri pokusoch s jantárovou tyčinkou potieranou vlnou. Mimochodom, odtiaľ pochádza aj samotné slovo „elektrina“, pretože v preklade z gréčtiny znamená slovo „elektrón“ jantár.

Materiály, ktoré môžu vykazovať triboelektrický efekt, môžu byť usporiadané v takzvanom triboelektrickom poradí: sklo, plexisklo, nylon, vlna, hodváb, celulóza, bavlna, jantár, polyuretán, polystyrén, teflón, guma, polyetylén atď.

Na začiatku riadku sú podmienene "pozitívne" materiály, na konci - podmienečne "negatívne". Ak vezmete dva materiály tohto rádu a otriete ich o seba, potom materiál bližšie k "kladnej" strane bude kladne nabitý a druhý záporne nabitý. Prvýkrát triboelektrickú sériu zostavil v roku 1757 švédsky fyzik Johann Carl Wilke.

Z fyzikálneho hľadiska bude jeden z dvoch materiálov, ktoré sa o seba trú, kladne nabitý, ktorý sa od druhého líši väčšou dielektrickou konštantou. Tento empirický model sa nazýva Cohenovo pravidlo a spája sa najmä s na dielektrikum.

Keď sa dvojica chemicky identických dielektrík o seba otrie, hustejšie z nich získa kladný náboj. V kvapalných dielektrikách bude kladne nabitá látka s vyššou dielektrickou konštantou alebo vyšším povrchovým napätím. Na druhej strane kovy, keď sa otierajú o povrch dielektrika, môžu byť pozitívne aj negatívne elektrizované.

Stupeň elektrifikácie telies, ktoré sa o seba trú, je tým výraznejší, čím väčšia je plocha ich povrchov. Trenie prachu o povrch tela, z ktorého sa oddelil (sklo, mramor, snehový prach a pod.), je nabité záporne. Keď sa prach preosieva cez sito, nabijú sa aj prachové častice.

Triboelektrický efekt v pevných látkach možno vysvetliť nasledovne. Nosiče náboja sa pohybujú z jedného tela do druhého. V polovodičoch a kovoch je triboelektrický efekt spôsobený pohybom elektrónov z materiálu s nižšou pracovnou funkciou do materiálu s vyššou pracovnou funkciou.

Keď sa dielektrikum otiera o kov, dochádza k triboelektrickej elektrizácii v dôsledku prechodu elektrónov z kovu na dielektrikum. Pri trení páru dielektrík dochádza k javu v dôsledku vzájomného prenikania zodpovedajúcich iónov a elektrónov.

Významným príspevkom k závažnosti triboelektrického efektu môžu byť rôzne stupne zahrievania telies v procese ich vzájomného trenia, pretože táto skutočnosť spôsobuje vytesňovanie nosičov z lokálnych nehomogenít viac zahrievanej látky - "pravda" triboelektrina. Okrem toho môže mechanické odstraňovanie jednotlivých povrchových prvkov piezoelektrík alebo pyroelektrík viesť k triboelektrickému efektu.

Aplikovaný na kvapaliny prejav triboelektrického javu súvisí s výskytom elektrických dvojitých vrstiev na rozhraní dvoch kvapalných médií alebo na rozhraní medzi kvapalinou a pevnou látkou.Pri trení kvapalín o kovy (pri prúdení alebo nárazovom rozstrekovaní), triboelektrina vzniká v dôsledku oddelenia nábojov na rozhraní medzi kovom a kvapalinou.

Elektrifikácia trením dvoch kvapalných dielektrík je spôsobená prítomnosťou elektrických dvojitých vrstiev na rozhraní medzi kvapalinami, ktorých dielektrické konštanty sú rôzne. Ako bolo uvedené vyššie (podľa Cohenovho pravidla), kvapalina s nižšou dielektrickou konštantou je nabitá záporne a kvapalina s vyššou je nabitá kladne.

Triboelektrický efekt pri striekaní kvapalín v dôsledku dopadu na povrch pevného dielektrika alebo na povrch kvapaliny je spôsobený deštrukciou elektrických dvojitých vrstiev na hranici medzi kvapalinou a plynom (k elektrifikácii vo vodopádoch dochádza práve týmto mechanizmom) .

Aj keď triboelektrika vedie v niektorých situáciách k nežiaducemu hromadeniu elektrických nábojov v dielektrikách, napríklad na syntetickej tkanine, triboelektrický efekt sa dnes napriek tomu využíva pri štúdiu energetického spektra elektrónových pascí v pevných látkach, ako aj v mineralógii na štúdium luminiscenčných centier. , minerály, určujúce podmienky vzniku hornín a ich vek.

TENG triboelektrické nanogenerátory

Na prvý pohľad sa zdá, že triboelektrický efekt je energeticky slabý a neefektívny v dôsledku nízkej a nestabilnej hustoty elektrického náboja zapojeného do tohto procesu. Skupina vedcov z Georgia Tech však našla spôsob, ako zlepšiť energetické charakteristiky efektu.

Metódou je vybudenie systému nanogenerátora v smere najvyššieho a najstabilnejšieho výstupného výkonu, ako sa to zvyčajne robí s ohľadom na tradičné indukčné generátory s magnetickým budením.

V spojení s dobre navrhnutými výslednými schémami násobenia napätia je systém s externým samonabíjacím budením schopný vykazovať hustoty náboja presahujúce 1,25 mC na meter štvorcový. Pripomeňme, že výsledný elektrický výkon je úmerný druhej mocnine danej veličiny.

Rozvoj vedcov otvára reálnu perspektívu pre vznik v blízkej budúcnosti praktických a vysokovýkonných triboelektrických nanogenerátorov (TENG, TENG) na nabíjanie prenosnej elektroniky energiou získanou najmä z každodenných mechanických pohybov ľudského tela.

Nanogenerátory sľubujú nízku hmotnosť, nízke náklady a tiež vám umožnia vybrať si pre ich vytvorenie také materiály, ktoré budú najefektívnejšie generovať pri nízkych frekvenciách rádovo 1-4 Hz.

Obvod s externým čerpaním náboja (podobný indukčnému generátoru s externým budením) sa považuje za perspektívnejší v momente, keď sa časť vygenerovanej energie využije na podporu procesu výroby a zvýšenie hustoty pracovného náboja.

Ako navrhli vývojári, oddelenie kondenzátorov generátora a externého kondenzátora umožní vzrušujúce generovanie cez vonkajšie elektródy bez priameho ovplyvnenia triboelektrickej vrstvy.

Vybudený náboj sa privádza na elektródu hlavného nanogenerátora TENG (TENG), pričom systém budenia náboja a hlavná výstupná záťaž TENG fungujú ako nezávislé systémy.

Pri racionálnom návrhu modulu budenia náboja môže byť nahromadený náboj v ňom doplnený spätnou väzbou zo samotného TENG počas procesu vybíjania. Týmto spôsobom sa dosiahne samobudenie TENG.

V priebehu výskumu vedci študovali vplyv rôznych vonkajších faktorov na účinnosť generovania, ako sú: typ a hrúbka dielektrika, materiál elektród, frekvencia, vlhkosť atď. triboelektrická vrstva TENG obsahuje polyimidový dielektrický kaptónový film s hrúbkou 5 mikrónov a elektródy sú vyrobené z medi a hliníka.

Súčasným úspechom je, že po 50 sekundách prevádzky na frekvencii iba 1 Hz je náboj vybudený pomerne efektívne, čo dáva nádej na vytvorenie stabilných nanogenerátorov v blízkej budúcnosti pre široké aplikácie.

V štruktúre TENG s vonkajším budením náboja sa oddelenie kapacít hlavného generátora a výstupného zaťažovacieho kondenzátora dosiahne oddelením troch kontaktov a použitím izolačných fólií s rôznymi dielektrickými charakteristikami na dosiahnutie relatívne veľkej zmeny kapacít.

Najprv sa náboj zo zdroja napätia privedie do hlavného TENG, na ktorého kapacite sa napätie vytvára, kým je zariadenie v kontaktnom stave maximálnej kapacity. Akonáhle sa obe elektródy oddelia, napätie sa zvýši v dôsledku poklesu kapacity a náboj prúdi zo základného kondenzátora do akumulačného kondenzátora, kým sa nedosiahne rovnovážny stav.

V ďalšom stave kontaktu sa náboj vráti do hlavného TENG a prispeje k tvorbe energie, ktorá bude tým väčšia, čím vyššia bude dielektrická konštanta filmu v hlavnom kondenzátore. Dosiahnutie konštrukčnej úrovne napätia sa vykonáva pomocou diódového multiplikátora.