Triboelektrični učinek in nanogeneratorji TENG

Triboelektrični učinek je pojav pojava električnih nabojev v nekaterih materialih, ko se drgnejo drug ob drugega. Ta učinek je sam po sebi manifestacija kontaktna elektrifikacija, ki je človeštvu poznana že od pradavnine.

Celo Thales iz Miletskega je opazil ta pojav v poskusih z jantarno palico, podrgnjeno z volno. Mimogrede, sama beseda "elektrika" izvira od tam, saj v prevodu iz grščine beseda "elektron" pomeni jantar.

Materiale, ki lahko izkazujejo triboelektrični učinek, lahko razvrstimo v tako imenovani triboelektrični red: steklo, pleksi steklo, najlon, volna, svila, celuloza, bombaž, jantar, poliuretan, polistiren, teflon, guma, polietilen itd.

Na začetku vrstice so pogojno "pozitivni" materiali, na koncu - pogojno "negativni". Če vzamete dva materiala tega reda in ju podrgnete drug ob drugega, bo material, ki je bližje "pozitivni" strani, pozitivno nabit, drugi pa negativno. Prvič je triboelektrični niz leta 1757 sestavil švedski fizik Johann Carl Wilke.

S fizikalnega vidika bo pozitivno nabit eden od obeh materialov, ki se drgneta drug ob drugega, ki se od drugega razlikuje po večji dielektrični konstanti. Ta empirični model se imenuje Cohenovo pravilo in je v glavnem povezan z na dielektrike.

Ko se par kemično enakih dielektrikov drgne drug ob drugega, bo gostejši pridobil pozitiven naboj. V tekočih dielektrikih bo snov z višjo dielektrično konstanto ali večjo površinsko napetostjo pozitivno nabita. Po drugi strani pa lahko kovine, ko jih drgnemo ob površino dielektrika, postanejo tako pozitivno kot negativno naelektrene.

Stopnja elektrifikacije teles, ki se drgnejo drug ob drugega, je pomembnejša, večja je površina njihovih površin. Trenje prahu na površini telesa, od katerega se je ločil (steklo, marmor, snežni prah itd.), je negativno nabito. Ko prah presejemo skozi sito, se prašni delci tudi naelektrijo.

Triboelektrični učinek v trdnih snoveh je mogoče pojasniti na naslednji način. Nosilci naboja se premikajo od enega telesa do drugega. Pri polprevodnikih in kovinah je triboelektrični učinek posledica gibanja elektronov iz materiala z nižjo delovno funkcijo v material z višjo delovno funkcijo.

Pri drgnjenju dielektrika ob kovino pride do triboelektrične elektrifikacije zaradi prehoda elektronov iz kovine v dielektrik. Pri drgnjenju para dielektrikov pride do pojava zaradi medsebojnega prodiranja ustreznih ionov in elektronov.

Pomemben prispevek k resnosti triboelektričnega učinka so lahko različne stopnje segrevanja teles v procesu njihovega trenja drug ob drugega, saj to dejstvo povzroči premik nosilcev iz lokalnih nehomogenosti bolj segrete snovi - "resnično" triboelektrika. Poleg tega lahko mehansko odstranjevanje posameznih površinskih elementov piezoelektrikov ali piroelektrikov povzroči triboelektrični učinek.

Za tekočine je manifestacija triboelektričnega učinka povezana s pojavom dvojnih električnih plasti na meji med dvema tekočima medijema ali na meji med tekočino in trdno snovjo.Ko se tekočina drgne ob kovine (med tokom ali udarnimi brizgami), do triboelektrike pride zaradi ločitve nabojev na meji med kovino in tekočino.

Elektrifikacija zaradi drgnjenja dveh tekočih dielektrikov je posledica prisotnosti dvojnih električnih plasti na meji med tekočinama, katerih dielektrične konstante so različne. Kot je navedeno zgoraj (po Cohenovem pravilu), je tekočina z nižjo dielektrično konstanto negativno nabita, tekočina z višjo pa pozitivno.

Triboelektrični učinek pri brizganju tekočine zaradi udarca v površino trdnega dielektrika ali v površino tekočine nastane zaradi uničenja dvojnih električnih plasti na meji med tekočino in plinom (elektrifikacija v slapovih nastane ravno po tem mehanizmu) .

Čeprav triboelektričnost v nekaterih situacijah povzroči neželeno kopičenje električnih nabojev v dielektrikih, na primer na sintetični tkanini, se triboelektrični učinek kljub temu danes uporablja pri preučevanju energijskega spektra pasti elektronov v trdnih snoveh, pa tudi v mineralogiji za preučevanje luminiscenčnih središč , minerali, določanje pogojev za nastanek kamnin in njihove starosti.

TENG triboelektrični nanogeneratorji

Na prvi pogled se zdi, da je triboelektrični učinek energijsko šibek in neučinkovit zaradi nizke in nestabilne gostote električnega naboja, ki je vključen v ta proces. Vendar pa je skupina znanstvenikov pri Georgia Tech našla način za izboljšanje energijskih značilnosti učinka.

Metoda je vzbujanje nanogeneratorskega sistema v smeri najvišje in najbolj stabilne izhodne moči, kot se običajno izvaja pri tradicionalnih indukcijskih generatorjih z magnetnim vzbujanjem.

V povezavi z dobro zasnovanimi shemami pomnoževanja napetosti lahko sistem z zunanjim vzbujanjem samonaboja pokaže gostoto naboja, ki presega 1,25 mC na kvadratni meter. Spomnimo se, da je nastala električna moč sorazmerna s kvadratom dane količine.

Razvoj znanstvenikov odpira resnično možnost za ustvarjanje praktičnih in visoko zmogljivih triboelektričnih nanogeneratorjev (TENG, TENG) v bližnji prihodnosti za polnjenje prenosne elektronike z energijo, pridobljeno predvsem iz dnevnih mehanskih gibov človeškega telesa.

Nanogeneratorji obljubljajo majhno težo, nizke stroške in vam bodo omogočili, da za njihovo ustvarjanje izberete tiste materiale, ki bodo najučinkoviteje ustvarjali pri nizkih frekvencah reda 1-4 Hz.

Za bolj obetavno trenutno velja vezje z zunanjim črpanjem naboja (podobno kot indukcijski generator z zunanjim vzbujanjem), ko se del proizvedene energije porabi za podporo procesu generiranja in povečanje delovne gostote naboja.

Kot so si zamislili razvijalci, bo ločitev generatorskih kondenzatorjev in zunanjega kondenzatorja omogočila vznemirljivo generacijo prek zunanjih elektrod brez neposrednega vpliva na triboelektrično plast.

Vzbujeni naboj se dovaja na elektrodo glavnega nanogeneratorja TENG (TENG), medtem ko sistem vzbujanja naboja in glavna izhodna obremenitev TENG delujeta kot neodvisna sistema.

Z racionalno zasnovo modula za vzbujanje naboja se lahko akumulirani naboj v njem dopolni s povratno informacijo iz samega TENG med postopkom praznjenja. Na ta način se doseže samovzbujanje TENG.

Med raziskavo so znanstveniki proučevali vpliv različnih zunanjih dejavnikov na učinkovitost proizvodnje, kot so: vrsta in debelina dielektrika, material elektrod, frekvenca, vlažnost itd. triboelektrični sloj TENG vključuje poliimidni dielektrični kaptonski film debeline 5 mikronov, elektrode pa so izdelane iz bakra in aluminija.

Trenutni dosežek je, da se po 50 sekundah delovanja pri frekvenci samo 1 Hz naboj vzbuja precej učinkovito, kar daje upanje za ustvarjanje stabilnih nanogeneratorjev za široko uporabo v bližnji prihodnosti.

V strukturi TENG z zunanjim vzbujanjem naboja se ločitev kapacitivnosti glavnega generatorja in kondenzatorja izhodne obremenitve doseže z ločitvijo treh kontaktov in uporabo izolacijskih filmov z različnimi dielektričnimi lastnostmi, da se doseže relativno velika sprememba kapacitivnosti.

Najprej se naboj iz vira napetosti dovaja v glavni TENG, na kapacitivnosti katerega se napetost kopiči, medtem ko je naprava v kontaktnem stanju največje kapacitivnosti. Takoj, ko se elektrodi ločita, se napetost poveča zaradi zmanjšanja kapacitivnosti in naboj teče od osnovnega kondenzatorja do pomnilniškega kondenzatorja, dokler ni doseženo ravnotežno stanje.

V naslednjem stanju stika se naboj vrne v glavni TENG in prispeva k ustvarjanju energije, ki bo tem večja, čim višja je dielektrična konstanta filma v glavnem kondenzatorju. Doseganje projektiranega nivoja napetosti se izvede z diodnim množilnikom.