Triboelektriline efekt ja TENG nanogeneraatorid

Triboelektriline efekt on elektrilaengute ilmnemine mõnes materjalis, kui need hõõruvad üksteise vastu. See mõju on oma olemuselt ilming kontakt elektrifitseerimine, mis on inimkonnale teada juba iidsetest aegadest.

Isegi Thales of Miletsky täheldas seda nähtust katsetes villaga hõõrutud merevaigupulgaga. Muide, just sõna "elekter" pärineb sealt, sest kreeka keelest tõlgituna tähendab sõna "elektron" merevaiku.

Materjalid, mis võivad avaldada triboelektrilist efekti, võivad olla paigutatud nn triboelektrilises järjekorras: klaas, pleksiklaas, nailon, vill, siid, tselluloos, puuvill, merevaik, polüuretaan, polüstüreen, teflon, kumm, polüetüleen jne.

Rea alguses on tinglikult "positiivsed" materjalid, lõpus - tinglikult "negatiivsed". Kui võtta kaks selles järjestuses materjali ja hõõruda neid üksteise vastu, siis on "positiivsele" poolele lähemal olev materjal positiivselt laetud ja teine ​​negatiivselt. Esimest korda koostas triboelektrilise seeria 1757. aastal Rootsi füüsik Johann Carl Wilke.

Füüsikalisest vaatenurgast on üks kahest üksteise vastu hõõrduvast materjalist positiivselt laetud, mis erineb teisest suurema dielektrilise konstandi poolest. Seda empiirilist mudelit nimetatakse Coheni reegliks ja seda seostatakse peamiselt dielektrikutele.

Kui paar keemiliselt identset dielektrikuid hõõruvad üksteise vastu, omandab tihedam neist positiivse laengu. Vedelates dielektrikutes on kõrgema dielektrilise konstandi või kõrgema pindpinevusega aine positiivselt laetud. Seevastu metallid võivad dielektriku pinna vastu hõõrudes elektrifitseerida nii positiivselt kui ka negatiivselt.

Üksteise vastu hõõrduvate kehade elektrifitseerimise aste on seda olulisem, mida suurem on nende pindade pindala. Tolmu hõõrdumine keha pinnal, millest see eraldus (klaas, marmor, lumetolm jne), on negatiivselt laetud. Kui tolm sõelutakse läbi sõela, laetakse ka tolmuosakesed.

Triboelektrilist efekti tahketes ainetes saab seletada järgmiselt. Laengukandjad liiguvad ühelt kehalt teisele. Pooljuhtides ja metallides on triboelektriline efekt tingitud elektronide liikumisest madalama tööfunktsiooniga materjalilt kõrgema tööfunktsiooniga materjalile.

Kui dielektrik hõõrub vastu metalli, toimub triboelektriline elektrifitseerimine elektronide ülemineku tõttu metallist dielektrikuni. Dielektrikute paari hõõrdumisel tekib nähtus vastavate ioonide ja elektronide vastastikuse läbitungimise tõttu.

Triboelektrilise efekti tõsidusele võib oluliseks panuseks olla kehade erinevad kuumenemise astmed nende üksteise vastu hõõrdumise protsessis, kuna see asjaolu põhjustab kandjate nihkumist kuumutatud aine kohalikest ebahomogeensustest - "tõene" triboelekter. Lisaks võib piesoelektriliste või püroelektriliste elementide üksikute pinnaelementide mehaaniline eemaldamine põhjustada triboelektrilise efekti.

Vedelikele rakendatuna on triboelektrilise efekti avaldumine seotud elektriliste topeltkihtide ilmnemisega kahe vedela keskkonna või vedeliku ja tahke aine vahelisel piiril. Kui vedelikud hõõruvad vastu metalle (voolu- või löögipritsmete ajal) triboelekter tekib tänu laengute eraldumisele metalli ja vedeliku vahelisel liidesel.

Elektrifitseerimine kahe vedela dielektriku hõõrdumisel on tingitud elektriliste topeltkihtide olemasolust vedelike vahel, mille dielektrilised konstandid on erinevad. Nagu eespool mainitud (vastavalt Coheni reeglile), on madalama dielektrilise konstandiga vedelik negatiivselt laetud ja vedelik, millel on kõrgem, positiivselt.

Triboelektriline efekt vedelike pritsimisel tahke dielektriku pinnale või vedeliku pinnale sattumisel on tingitud elektriliste topeltkihtide hävimisest vedeliku ja gaasi piiril (elektrifitseerimine jugades toimub just selle mehhanismi abil) .

Kuigi triboelekter põhjustab mõnes olukorras soovimatut elektrilaengute kuhjumist dielektrikutes, näiteks sünteetilisel kangal, kasutatakse triboelektrilist efekti siiski tänapäeval tahkete ainete elektronpüüniste energiaspektri uurimisel, aga ka mineraloogias luminestsentstsentrite uurimiseks. , mineraalid, kivimite tekketingimuste ja nende vanuse määramine.

TENG triboelektrilised nanogeneraatorid

Esmapilgul näib triboelektriline efekt olevat energeetiliselt nõrk ja ebaefektiivne, kuna selles protsessis osalev elektrilaengu tihedus on madal ja ebastabiilne. Grupp Georgia Techi teadlasi on aga leidnud viisi efekti energiaomaduste parandamiseks.

Meetod on nanogeneraatorisüsteemi ergastamine kõrgeima ja stabiilseima väljundvõimsuse suunas, nagu seda tavaliselt tehakse traditsiooniliste magnetilise ergastusega induktsioongeneraatorite puhul.

Koostöös hästi läbimõeldud pinge korrutamise skeemidega on välise iselaadimise ergutussüsteemiga võimeline näitama laengutihedust üle 1,25 mC ruutmeetri kohta. Tuletame meelde, et saadud elektrivõimsus on võrdeline antud suuruse ruuduga.

Teadlaste areng avab reaalse väljavaate lähitulevikus praktiliste ja suure jõudlusega triboelektriliste nanogeneraatorite (TENG, TENG) loomiseks kaasaskantava elektroonika laadimiseks peamiselt inimkeha igapäevastest mehaanilistest liikumistest saadava energiaga.

Nanogeneraatorid lubavad olla väikese kaalu ja madala hinnaga ning võimaldavad teil ka nende loomiseks valida need materjalid, mis genereerivad kõige tõhusamalt madalatel sagedustel suurusjärgus 1–4 Hz.

Välise laengu pumpamisega vooluringi (sarnaselt välise ergutusega induktsioongeneraatoriga) peetakse hetkel perspektiivsemaks, kui osa tekkivast energiast kasutatakse genereerimisprotsessi toetamiseks ja töölaengu tiheduse suurendamiseks.

Arendajate idee kohaselt võimaldab generaatori kondensaatorite ja välise kondensaatori eraldamine väliste elektroodide kaudu põnevat genereerimist, ilma et see mõjutaks otseselt triboelektrilist kihti.

Ergastatud laeng suunatakse peamise TENG-nanogeneraatori (TENG) elektroodile, samas kui laengu ergutussüsteem ja põhiväljundkoormus TENG töötavad iseseisvate süsteemidena.

Laengu ergutusmooduli ratsionaalse disainiga saab selles kogunenud laengut tühjendusprotsessi ajal TENG-i enda tagasiside abil täiendada. Sel viisil saavutatakse TENG-i eneseergastus.

Uurimistöö käigus uurisid teadlased erinevate välistegurite mõju genereerimise efektiivsusele, näiteks: dielektriku tüüp ja paksus, elektroodide materjal, sagedus, niiskus jne. TENG triboelektriline kiht sisaldab polüimiiddielektrilist kaptonkilet paksusega 5 mikronit ning elektroodid on valmistatud vasest ja alumiiniumist.

Praegune saavutus on see, et pärast 50 sekundit töötamist vaid 1 Hz sagedusel ergastub laeng üsna tõhusalt, mis annab lootust lähitulevikus stabiilsete nanogeneraatorite loomiseks laialdaseks kasutamiseks.

Välislaengu ergastusega TENG-struktuuris saavutatakse peageneraatori ja väljundkoormuskondensaatori mahtuvuse eraldamine kolme kontakti eraldamise ja erinevate dielektriliste omadustega isolatsioonikilede kasutamisega, et saavutada suhteliselt suur mahtuvuse muutus.

Esiteks suunatakse pingeallika laeng TENG-i põhivõrku, mille mahtuvusele tekib pinge, kui seade on maksimaalse mahtuvusega kontaktseisundis. Niipea, kui kaks elektroodi eralduvad, suureneb pinge mahtuvuse vähenemise tõttu ja laeng voolab baaskondensaatorist salvestuskondensaatorisse, kuni jõutakse tasakaaluolekuni.

Järgmises kontaktiseisundis naaseb laeng põhi-TENG-i ja aitab kaasa energia genereerimisele, mis on seda suurem, mida suurem on põhikondensaatoris oleva kile dielektriline konstant. Projekteeritud pingetaseme saavutamine toimub dioodi kordaja abil.