Tribosähköinen efekti ja TENG-nanogeneraattorit

Tribosähköinen vaikutus on ilmiö, jossa joissakin materiaaleissa ilmaantuu sähkövarauksia, kun ne hankaavat toisiaan vasten. Tämä vaikutus on luonnostaan ​​ilmentymä kosketa sähköistystä, joka on ollut ihmiskunnan tiedossa muinaisista ajoista lähtien.

Jopa Thales of Miletsky havaitsi tämän ilmiön kokeissa villalla hierotulla meripihkatikulla. Muuten, juuri sana "sähkö" on peräisin sieltä, koska käännettynä kreikaksi sana "elektroni" tarkoittaa meripihkaa.

Materiaalit, jotka voivat osoittaa tribosähköistä vaikutusta, voidaan järjestää ns. tribosähköiseen järjestykseen: lasi, pleksi, nailon, villa, silkki, selluloosa, puuvilla, meripihka, polyuretaani, polystyreeni, teflon, kumi, polyeteeni jne.

Rivin alussa on ehdollisesti "positiivisia" materiaaleja, lopussa - ehdollisesti "negatiivisia". Jos otat kaksi tämän luokan materiaalia ja hankaat niitä toisiaan vasten, niin lähempänä "positiivista" olevaa materiaalia varautuu positiivisesti ja toinen negatiivisesti. Vuonna 1757 ruotsalainen fyysikko Johann Carl Wilke kokosi ensimmäisen kerran tribosähköisen sarjan.

Fysikaalisesta näkökulmasta katsottuna toinen kahdesta toisiaan vasten hankaavasta materiaalista on positiivisesti varautunut, mikä eroaa toisesta suuremmalla dielektrisyysvakiolla. Tätä empiiristä mallia kutsutaan Cohenin säännöksi ja se liittyy pääasiassa dielektrikoihin.

Kun pari kemiallisesti identtistä dielektristä hankaa toisiaan vasten, tiheämpi saa positiivisen varauksen. Nestemäisissä eristeissä aine, jolla on korkeampi dielektrisyysvakio tai suurempi pintajännitys, varautuu positiivisesti. Toisaalta metallit voivat sähköistyä sekä positiivisesti että negatiivisesti, kun niitä hierotaan dielektrin pintaa vasten.

Toisiaan vasten hankaavien kappaleiden sähköistysaste on sitä suurempi, mitä suurempi niiden pintojen pinta-ala. Pölyn kitka rungon pinnalla, josta se erottui (lasi, marmori, lumipöly jne.), on negatiivisesti varautunut. Kun pöly siivilöidään siivilän läpi, myös pölyhiukkaset varautuvat.

Tribosähköinen vaikutus kiinteissä aineissa voidaan selittää seuraavasti. Varauskannattimet liikkuvat kehosta toiseen. Puolijohteissa ja metalleissa tribosähköinen vaikutus johtuu elektronien liikkeestä alhaisemman työfunktion omaavasta materiaalista materiaaliin, jolla on korkeampi työfunktio.

Kun eriste hankaa metallia vasten, tribosähköinen sähköistyminen tapahtuu elektronien siirtymisen vuoksi metallista dielektriseen. Kun eristepari hankaa yhteen, ilmiö johtuu vastaavien ionien ja elektronien keskinäisestä tunkeutumisesta.

Merkittävä osa tribosähköisen vaikutuksen vakavuuteen voi olla kappaleiden eri kuumenemisasteet niiden kitkaprosessissa toisiaan vastaan, koska tämä tosiasia aiheuttaa kantajien siirtymisen kuumennetun aineen paikallisista epähomogeenisuudesta - "tosi". tribosähkö. Lisäksi yksittäisten pietsosähköisten tai pyrosähköisten pintaelementtien mekaaninen poistaminen voi johtaa tribosähköiseen vaikutukseen.

Nesteisiin sovellettaessa tribosähköisen vaikutuksen ilmeneminen liittyy sähköisten kaksoiskerrosten ilmestymiseen kahden nestemäisen väliaineen rajapinnalle tai nesteen ja kiinteän aineen rajapinnalle. Kun nesteet hankaavat metalleja (virtauksen tai iskuroiskeiden aikana), tribosähkö johtuu varausten erottumisesta metallin ja nesteen rajapinnassa.

Sähköistyminen hankaamalla kahta nestemäistä eristettä johtuu sähköisten kaksoiskerrosten läsnäolosta niiden nesteiden rajapinnassa, joiden dielektrisyysvakiot ovat erilaiset. Kuten edellä mainittiin (Cohenin säännön mukaan), neste, jolla on pienempi dielektrisyysvakio, on varautunut negatiivisesti ja neste, jolla on korkeampi, on positiivisesti varautunut.

Tribosähköinen vaikutus nesteiden roiskuessa kiinteän eristeen pintaan tai nesteen pintaan kohdistuvan törmäyksen seurauksena johtuu sähköisten kaksoiskerrosten tuhoutumisesta nesteen ja kaasun rajalla (sähköistyminen vesiputouksissa tapahtuu juuri tällä mekanismilla) .

Vaikka tribosähkö johtaa joissakin tilanteissa ei-toivottuun sähkövarausten kertymiseen eristeissä, kuten synteettisessä kankaassa, tribosähköistä vaikutusta käytetään kuitenkin nykyään kiinteiden aineiden elektroniloukkujen energiaspektrin tutkimuksessa sekä mineralogiassa luminoivien keskusten tutkimiseen. , mineraalit, jotka määrittävät kivien muodostumisolosuhteet ja niiden iän.

TENG tribosähköiset nanogeneraattorit

Ensi silmäyksellä tribosähköinen vaikutus näyttää olevan energeettisesti heikko ja tehoton johtuen tähän prosessiin osallistuvan sähkövarauksen alhaisesta ja epävakaasta tiheydestä. Ryhmä Georgia Techin tutkijoita on kuitenkin löytänyt tavan parantaa vaikutuksen energiaominaisuuksia.

Menetelmänä on virittää nanogeneraattorijärjestelmä korkeimman ja stabiilimman lähtötehon suuntaan, kuten yleensä tehdään perinteisten magneettiviritteiden induktiogeneraattoreiden kohdalla.

Yhdessä hyvin suunniteltujen tuloksena olevien jännitteen kertolaskujen kanssa järjestelmä, jossa on ulkoinen itsevarautuva heräte, pystyy osoittamaan yli 1,25 mC:n varaustiheyksiä neliömetriä kohti. Muista, että tuloksena oleva sähköteho on verrannollinen annetun suuren neliöön.

Tiedemiesten kehitys avaa todelliset mahdollisuudet luoda lähitulevaisuudessa käytännöllisiä ja tehokkaita tribosähköisiä nanogeneraattoreita (TENG, TENG) kannettavan elektroniikan lataamiseen energialla, joka saadaan pääasiassa ihmiskehon päivittäisistä mekaanisista liikkeistä.

Nanogeneraattorit lupaavat olla kevyitä, edullisia, ja niiden avulla voit myös valita luomiseen materiaalit, jotka tuottavat tehokkaimmin matalilla 1-4 Hz:n taajuuksilla.

Ulkoisella varauksen pumppauksella varustettua piiriä (samanlainen kuin ulkoisella virityksellä olevaa induktiogeneraattoria) pidetään tällä hetkellä lupaavampana, kun osa syntyneestä energiasta käytetään tukemaan generointiprosessia ja lisäämään työvaraustiheyttä.

Kehittäjien suunnittelemana generaattorikondensaattorien ja ulkoisen kondensaattorin erottaminen mahdollistaa jännittävän generoinnin ulkoisten elektrodien kautta vaikuttamatta suoraan tribosähköiseen kerrokseen.

Herätetty varaus syötetään TENG-nanogeneraattorin (TENG) elektrodille, kun taas varauksen herätejärjestelmä ja päälähtökuorma TENG toimivat itsenäisinä järjestelminä.

Varauksen herätemoduulin järkevällä suunnittelulla siihen kertynyt varaus voidaan täydentää itse TENG:n palautteen avulla purkamisprosessin aikana. Tällä tavalla saavutetaan TENG:n itseherätys.

Tutkimuksen aikana tutkijat selvittivät erilaisten ulkoisten tekijöiden, kuten eristeen tyypin ja paksuuden, elektrodien materiaalin, taajuuden, kosteuden jne. vaikutusta tuotantotehokkuuteen. TENG-triboelektrinen kerros sisältää polyimididielektrisen kaptonikalvon, jonka paksuus on 5 mikronia, ja elektrodit on valmistettu kuparista ja alumiinista.

Tämänhetkinen saavutus on, että 50 sekunnin toiminnan jälkeen vain 1 Hz:n taajuudella varaus viritetään varsin tehokkaasti, mikä antaa toivoa vakaiden nanogeneraattoreiden luomisesta lähitulevaisuudessa laajoihin sovelluksiin.

Ulkoisella varausvirityksellä varustetussa TENG-rakenteessa päägeneraattorin ja lähtökuormakondensaattorin kapasitanssien erottaminen saadaan aikaan erottamalla kolme kosketinta ja käyttämällä eristyskalvoja, joilla on erilaiset dielektriset ominaisuudet, jotta saavutetaan suhteellisen suuri kapasitanssien muutos.

Ensin jännitelähteen varaus syötetään pää-TENG:iin, jonka kapasitanssiin muodostuu jännite laitteen ollessa maksimikapasitanssin kosketustilassa. Heti kun kaksi elektrodia eroavat toisistaan, jännite kasvaa kapasitanssin pienenemisen vuoksi ja varaus virtaa peruskondensaattorista varastokondensaattoriin, kunnes tasapainotila saavutetaan.

Seuraavassa kosketustilassa varaus palaa pää-TENG:hen ja myötävaikuttaa energian muodostukseen, joka on sitä suurempi mitä suurempi on pääkondensaattorissa olevan kalvon dielektrisyysvakio. Suunniteltu jännitetaso saavutetaan diodikertoimella.