Трибоелектричен ефект и TENG наногенератори
Трибоелектричният ефект е явлението появата на електрически заряди в някои материали, когато се търкат един в друг. Този ефект по своята същност е проява електрификация на контакта, който е известен на човечеството от древността.
Дори Талес от Милецки е наблюдавал това явление в опити с кехлибарена пръчка, натрита с вълна. Впрочем самата дума „електричество“ произхожда оттам, защото в превод от гръцки думата „електрон“ означава кехлибар.
Материали, които могат да проявят трибоелектричен ефект, могат да бъдат подредени в така наречения трибоелектричен ред: стъкло, плексиглас, найлон, вълна, коприна, целулоза, памук, кехлибар, полиуретан, полистирол, тефлон, каучук, полиетилен и др.
В началото на реда има условно «положителни» материали, в края — условно «отрицателни». Ако вземете два материала от този ред и ги разтриете един срещу друг, тогава материалът, който е по -близо до «положителната» страна, ще бъде таксуван положително, а другият отрицателно. За първи път трибоелектричен ред е съставен през 1757 г. от шведския физик Йохан Карл Вилке.
От физическа гледна точка, това от двата материала, които се трият един в друг, ще бъде положително заредено, което се различава от другия по -голяма диелектрична константа. Този емпиричен модел се нарича правило на Коен и е свързан главно с към диелектрици.
Когато чифт химически идентични диелектрици се търкат един в друг, по -плътният от тях ще получи положителен заряд. В течните диелектрици вещество с по -висока диелектрична константа или по -високо повърхностно напрежение ще бъде заредено положително. Металите, от друга страна, когато се търкат върху повърхността на диелектрик, могат да се електрифицират както положително, така и отрицателно.
Степента на наелектризиране на тела, триещи се една в друга, е колкото по -значима, толкова по -голяма е площта на техните повърхности. Триенето на прах по повърхността на тялото, от което се е отделило (стъкло, мрамор, снежен прах и др.), Се зарежда отрицателно. Когато прахът се пресява през сито, праховите частици също се зареждат.
Трибоелектричният ефект в твърди тела може да се обясни по следния начин. Носителите на заряд се движат от едно тяло в друго. В полупроводниците и металите трибоелектричният ефект се дължи на движението на електрони от материал с по -ниска работна функция — към материал с по -висока работна функция.
Когато диелектрик се трие в метал, възниква трибоелектрична електрификация поради прехода на електрони от метал към диелектрик. При взаимно триене на двойка диелектрици явлението възниква поради взаимното проникване на съответните йони и електрони.
Значителен принос за тежестта на трибоелектричния ефект може да има различните степени на нагряване на телата в процеса на тяхното триене едно срещу друго, тъй като този факт причинява преместването на носители от локални неоднородности на по -нагрято вещество — „вярно“ трибоелектричество. В допълнение, механичното отстраняване на отделни повърхностни елементи на пиезоелектрици или пироелектрици може да доведе до трибоелектричен ефект.
Приложено към течности, проявлението на трибоелектричния ефект е свързано с появата на двойни електрически слоеве на границата между две течни среди или на границата между течност и твърдо вещество.Когато течностите се търкат в метали (по време на поток или пръски от удар), възниква трибоелектричество поради разделянето на зарядите на границата между метала и течността.
Електрификацията чрез триене на два течни диелектрика се причинява от наличието на двойни електрически слоеве на интерфейса между течности, чиито диелектрични константи са различни. Както бе споменато по -горе (според правилото на Коен), течност с по -ниска диелектрична константа се зарежда отрицателно, а с по -голяма — положително.
Трибоелектричният ефект при пръскане на течности поради въздействие върху повърхността на твърд диелектрик или върху повърхността на течност е причинен от разрушаването на двойни електрически слоеве на границата между течност и газ (електрификацията във водопадите става именно по този механизъм).
Въпреки че трибоелектричеството води в някои ситуации до нежелано натрупване на електрически заряди в диелектрици, като например върху синтетична тъкан, все пак трибоелектричният ефект се използва днес при изследването на енергийния спектър на електронните капани в твърди тела, както и в минералогията за изучаване на луминисцентни центрове, минерали, определяне на условията за образуване на скали и тяхната възраст.
Трибоелектрични наногенератори TENG
На пръв поглед трибоелектрическият ефект изглежда енергийно слаб и неефективен поради ниската и нестабилна плътност на електрическия заряд, участващ в този процес. Група учени от Georgia Tech обаче са намерили начин да подобрят енергийните характеристики на ефекта.
Методът е да се възбуди системата на наногенератора в посока на най -високата и най -стабилната изходна мощност, както обикновено се прави по отношение на традиционните индукционни генератори с магнитно възбуждане.
Във връзка с добре проектирани схеми за умножаване на полученото напрежение, система с външно самозареждащо се възбуждане е в състояние да показва плътност на заряда над 1,25 mC на квадратен метър. Да припомним, че получената електрическа мощност е пропорционална на квадрата на даденото количество.
Развитието на учените отваря реална перспектива за създаването в близко бъдеще на практични и високопроизводителни трибоелектрични наногенератори (TENG, TENG) за зареждане на преносима електроника с енергия, получена основно от ежедневните механични движения на човешкото тяло.
Наногенераторите обещават да имат ниско тегло, ниска цена и също така ще ви позволят да изберете за тяхното създаване тези материали, които най-ефективно ще генерират при ниски честоти от порядъка на 1-4 Hz.
За по -обещаваща в момента се счита верига с изпомпване на външен заряд (подобно на индукционен генератор с външно възбуждане), когато част от генерираната енергия се използва за поддържане на процеса на генериране и увеличаване на плътността на работния заряд.
Както е замислено от разработчиците, разделянето на кондензаторите на генератора и външния кондензатор ще позволи вълнуващо генериране чрез външните електроди, без да засяга директно трибоелектричния слой.
Възбуденият заряд се подава към електрода на основния TENG наногенератор (TENG), докато системата за възбуждане на заряда и основният TENG с изходен товар работят като независими системи.
С рационален дизайн на модула за възбуждане на заряд, натрупаният заряд в него може да бъде попълнен чрез обратна връзка от самия TENG по време на процеса на разреждане. По този начин се постига самовъзбуждане на TENG.
В хода на изследването учените изучават ефекта върху ефективността на генериране на различни външни фактори, като например: вида и дебелината на диелектрика, материала на електродите, честотата, влажността и др.На този етап трибоелектричният слой TENG включва полиимиден диелектричен каптонов филм с дебелина 5 микрона, а електродите са изработени от мед и алуминий.
Настоящото постижение е, че след 50 секунди, работещи на честота само 1 Hz, зарядът се възбужда доста ефективно, което дава надежда за създаването в близко бъдеще на стабилни наногенератори за широки приложения.
В структурата TENG с външно възбуждане на заряд разделянето на капацитетите на главния генератор и кондензатора на изходното натоварване се постига чрез разделяне на три контакта и използване на изолационни филми с различни диелектрични характеристики, за да се постигне относително голяма промяна в капацитетите.
Първо, зарядът от източника на напрежение се подава към главния TENG, върху чийто капацитет напрежението се натрупва, докато устройството е в състояние на контакт с максимален капацитет. Веднага след като двата електрода се разделят, напрежението се увеличава поради намаляване на капацитета и зарядът тече от основния кондензатор към кондензатора за съхранение, докато се достигне равновесно състояние.
В следващото състояние на контакт, зарядът се връща към основния TENG и допринася за генерирането на енергия, която ще бъде колкото по -голяма, толкова по -висока е диелектричната константа на филма в основния кондензатор. Постигането на проектното ниво на напрежение се извършва с помощта на диоден множител.