Triboelektrični efekt i TENG nanogeneratori

Triboelektrični efekt je pojava pojave električnih naboja u nekim materijalima kada se međusobno trljaju. Ovaj učinak je inherentno manifestacija kontaktna elektrifikacija, koji je čovječanstvu poznat od davnina.

Čak je i Tales iz Miletskog promatrao ovaj fenomen u pokusima s jantarnim štapićem natrljanim vunom. Inače, odatle potječe i sama riječ "elektricitet", jer u prijevodu s grčkog riječ "elektron" znači jantar.

Materijali koji mogu pokazati triboelektrični učinak mogu se poredati u tzv. triboelektrični red: staklo, pleksiglas, najlon, vuna, svila, celuloza, pamuk, jantar, poliuretan, polistiren, teflon, guma, polietilen itd.

Na početku retka nalaze se uvjetno "pozitivni" materijali, na kraju - uvjetno "negativni". Ako uzmete dva materijala ovog reda i protrljate ih jedan o drugi, tada će materijal bliži "pozitivnoj" strani biti pozitivno, a drugi negativno nabijen. Po prvi put je triboelektrični niz sastavio 1757. godine švedski fizičar Johann Carl Wilke.

S fizikalne točke gledišta pozitivno će biti nabijen onaj od dva materijala koji se međusobno trljaju, a razlikuje se od drugog po većoj dielektričnoj konstanti. Ovaj empirijski model naziva se Cohenovo pravilo i uglavnom se povezuje s na dielektrike.

Kada se par kemijski identičnih dielektrika trlja jedan o drugi, gušći će dobiti pozitivan naboj. U tekućim dielektricima, tvar s većom dielektričnom konstantom ili većom površinskom napetosti bit će pozitivno nabijena. Metali, s druge strane, kada se trljaju o površinu dielektrika, mogu postati i pozitivno i negativno naelektrizirani.

Stupanj elektrifikacije tijela koja se međusobno trljaju to je značajniji što je površina njihovih površina veća. Trenje prašine o površinu tijela od koje se odvojila (staklo, mramor, snježna prašina i sl.) je negativno nabijeno. Kada se prašina prosijava kroz sito, čestice prašine također se naelektrišu.

Triboelektrični efekt u čvrstim tijelima može se objasniti na sljedeći način. Nositelji naboja prelaze s jednog tijela na drugo. U poluvodičima i metalima triboelektrični efekt nastaje zbog kretanja elektrona iz materijala s nižim radom izlaza u materijal s višim radom rada.

Kada se dielektrik trlja o metal, dolazi do triboelektrične elektrifikacije zbog prijelaza elektrona iz metala u dielektrik. Kada se par dielektrika međusobno trlja, pojava nastaje zbog međusobnog prodiranja odgovarajućih iona i elektrona.

Značajan doprinos ozbiljnosti triboelektričnog efekta mogu biti različiti stupnjevi zagrijavanja tijela u procesu njihovog trenja jedno o drugo, budući da ta činjenica uzrokuje pomicanje nositelja iz lokalnih nehomogenosti više zagrijane tvari - "istina" triboelektricitet. Osim toga, mehaničko uklanjanje pojedinih površinskih elemenata piezoelektrika ili piroelektrika može dovesti do triboelektričnog učinka.

Primijenjeno na tekućine, manifestacija triboelektričnog efekta povezana je s pojavom dvostrukih električnih slojeva na granici između dva tekuća medija ili na granici između tekućine i krutine.Kada se tekućine trljaju o metale (tijekom strujanja ili udarnih prskanja), triboelektricitet nastaje zbog razdvajanja naboja na granici između metala i tekućine.

Elektrifikacija trljanjem dvaju tekućih dielektrika uzrokovana je prisutnošću dvostrukih električnih slojeva na granici između tekućina čije su dielektrične konstante različite. Kao što je gore spomenuto (prema Cohenovom pravilu), tekućina s manjom dielektričnom konstantom je negativno nabijena, a tekućina s višom je pozitivno nabijena.

Triboelektrični efekt kod prskanja tekućina uslijed udara u površinu čvrstog dielektrika ili u površinu tekućine uzrokovan je razaranjem dvostrukih električnih slojeva na granici između tekućine i plina (elektrifikacija u slapovima događa se upravo ovim mehanizmom) .

Iako triboelektricitet u nekim situacijama dovodi do neželjenog nakupljanja električnih naboja u dielektricima, kao što je sintetička tkanina, triboelektrični efekt se ipak danas koristi u proučavanju energetskog spektra zamki elektrona u čvrstim tijelima, kao iu mineralogiji za proučavanje luminescentnih centara. , minerali, određivanje uvjeta nastanka stijena i njihove starosti.

TENG triboelektrični nanogeneratori

Na prvi pogled čini se da je triboelektrični učinak energetski slab i neučinkovit zbog niske i nestabilne gustoće električnog naboja uključenog u ovaj proces. Međutim, skupina znanstvenika iz Georgia Tech-a pronašla je način za poboljšanje energetskih karakteristika učinka.

Metoda je pobuđivanje sustava nanogeneratora u smjeru najveće i najstabilnije izlazne snage, kao što se obično radi s obzirom na tradicionalne indukcijske generatore s magnetskom pobudom.

U kombinaciji s dobro osmišljenim rezultirajućim shemama umnožavanja napona, sustav s vanjskom pobudom samonaboja može pokazati gustoću naboja veću od 1,25 mC po kvadratnom metru. Podsjetimo se da je rezultirajuća električna snaga proporcionalna kvadratu zadane količine.

Razvoj znanstvenika otvara stvarnu perspektivu za stvaranje praktičnih i visokoučinkovitih triboelektričnih nanogeneratora (TENG, TENG) u bliskoj budućnosti za punjenje prijenosne elektronike energijom dobivenom uglavnom iz svakodnevnih mehaničkih pokreta ljudskog tijela.

Nanogeneratori obećavaju malu težinu, nisku cijenu, a također će vam omogućiti da za njihovu izradu odaberete one materijale koji će najučinkovitije generirati niske frekvencije reda 1-4 Hz.

Krug s vanjskim pumpanjem naboja (slično indukcijskom generatoru s vanjskom pobudom) trenutno se smatra perspektivnijim, kada se dio generirane energije koristi za podršku procesu generiranja i povećanje radne gustoće naboja.

Kao što su zamislili programeri, odvajanje kondenzatora generatora i vanjskog kondenzatora omogućit će uzbudljivu generaciju kroz vanjske elektrode bez izravnog utjecaja na triboelektrični sloj.

Pobuđeni naboj se dovodi na elektrodu glavnog TENG nanogeneratora (TENG), dok sustav pobude naboja i glavno izlazno opterećenje TENG rade kao neovisni sustavi.

S racionalnim dizajnom modula pobude naboja, akumulirani naboj u njemu može se nadopuniti povratnom informacijom iz samog TENG-a tijekom procesa pražnjenja. Na taj način se postiže samopobuda TENG-a.

Tijekom istraživanja znanstvenici su proučavali utjecaj na učinkovitost proizvodnje različitih vanjskih čimbenika, kao što su: vrsta i debljina dielektrika, materijal elektroda, frekvencija, vlažnost itd. U ovoj fazi, TENG triboelektrični sloj uključuje poliimidni dielektrični kaptonski film debljine 5 mikrona, a elektrode su izrađene od bakra i aluminija.

Trenutačno postignuće je da se nakon 50 sekundi rada na frekvenciji od samo 1 Hz, naboj pobuđuje prilično učinkovito, što daje nadu za stvaranje stabilnih nanogeneratora za široku primjenu u bliskoj budućnosti.

U TENG strukturi s vanjskom pobudom nabojem, odvajanje kapaciteta glavnog generatora i kondenzatora izlaznog opterećenja postiže se odvajanjem tri kontakta i korištenjem izolacijskih filmova s ​​različitim dielektričnim karakteristikama kako bi se postigla relativno velika promjena kapaciteta.

Prvo se naboj iz izvora napona dovodi u glavni TENG, na čijem se kapacitetu napon nakuplja dok je uređaj u stanju kontakta maksimalnog kapaciteta. Čim se dvije elektrode odvoje, napon se povećava zbog smanjenja kapaciteta i naboj teče od baznog kondenzatora prema kondenzatoru za pohranjivanje dok se ne postigne ravnotežno stanje.

U sljedećem stanju kontakta naboj se vraća u glavni TENG i pridonosi stvaranju energije, koja će biti veća što je veća dielektrična konstanta filma u glavnom kondenzatoru. Postizanje projektirane razine napona vrši se pomoću diodnog množitelja.