Triboelektrinis efektas ir TENG nanogeneratoriai
Triboelektrinis efektas yra reiškinys, kai kai kuriose medžiagose atsiranda elektros krūvių, kai jos trinasi viena į kitą. Šis poveikis iš esmės yra pasireiškimas kontaktinis elektrifikavimas, kuris žmonijai žinomas nuo seniausių laikų.
Net Thales of Miletsky pastebėjo šį reiškinį eksperimentuodamas su gintarine lazdele, įtrinta vilna. Beje, iš ten ir kilęs pats žodis „elektra“, nes išvertus iš graikų kalbos žodis „elektronas“ reiškia gintarą.
Medžiagos, kurios gali turėti triboelektrinį efektą, gali būti išdėstytos vadinamąja triboelektrine tvarka: stiklas, organinis stiklas, nailonas, vilna, šilkas, celiuliozė, medvilnė, gintaras, poliuretanas, polistirenas, teflonas, gumos, polietilenas ir kt.
Eilutės pradžioje yra sąlyginai „teigiamos“ medžiagos, pabaigoje – sąlyginai „neigiamos“. Jei paimsite dvi tokios eilės medžiagas ir patrinsite jas viena į kitą, tai medžiaga, esanti arčiau „teigiamos“ pusės, bus teigiamai įkrauta, o kita – neigiamai. Pirmą kartą triboelektrinę seriją 1757 m. sudarė švedų fizikas Johanas Carlas Wilke'as.
Fiziniu požiūriu viena iš dviejų medžiagų, besitrinančių viena į kitą, bus teigiamai įkrauta, kuri nuo kitos skiriasi didesne dielektrine konstanta. Šis empirinis modelis vadinamas Coheno taisykle ir daugiausia siejamas su prie dielektrikų.
Kai chemiškai identiškų dielektrikų pora trinasi vienas į kitą, tankesnis įgaus teigiamą krūvį. Skystuose dielektrikuose medžiaga, kurios dielektrinė konstanta yra didesnė arba kurios paviršiaus įtempis yra didesnis, bus teigiamai įkrautas. Kita vertus, metalai, trinami į dielektriko paviršių, gali elektrifikuotis ir teigiamai, ir neigiamai.
Vienas į kitą besitrinančių kūnų elektrifikacijos laipsnis yra reikšmingesnis, kuo didesnis jų paviršių plotas. Dulkių trintis ant kūno paviršiaus, nuo kurio jos atsiskyrė (stiklo, marmuro, sniego dulkių ir kt.), yra neigiamai įkraunama. Persijojus dulkes per sietelį, dulkių dalelės taip pat įkraunamos.
Triboelektrinį poveikį kietose medžiagose galima paaiškinti taip. Krovinių nešikliai juda iš vieno kūno į kitą. Puslaidininkiuose ir metaluose triboelektrinis efektas atsiranda dėl elektronų judėjimo iš medžiagos, turinčios mažesnę darbo funkciją, į medžiagą, turinčią didesnę darbo funkciją.
Kai dielektrikas trinasi į metalą, dėl elektronų perėjimo iš metalo į dielektriką vyksta triboelektrinis elektrifikavimasis. Kai dielektrikų pora trinasi kartu, reiškinys atsiranda dėl abipusio atitinkamų jonų ir elektronų prasiskverbimo.
Reikšmingas indėlis į triboelektrinio efekto sunkumą gali būti skirtingas kūnų įkaitimo laipsnis trinties vienas prieš kitą procese, nes dėl to nešikliai pasislenka nuo vietinių labiau šildomos medžiagos nehomogeniškumo - „tiesa“. triboelektra. Be to, mechaninis atskirų pjezoelektrinių ar piroelektrinių paviršiaus elementų pašalinimas gali sukelti triboelektrinį efektą.
Taikant skysčiams, triboelektrinio efekto pasireiškimas yra susijęs su elektrinių dvigubų sluoksnių atsiradimu dviejų skystų terpių arba skysčio ir kietos medžiagos sąsajoje. Kai skysčiai trinasi į metalus (tekėjimo ar smūgio purslų metu), triboelektra atsiranda dėl krūvių atsiskyrimo metalo ir skysčio sąsajoje.
Elektrifikaciją trintant du skystus dielektrikus sukelia elektriniai dvigubi sluoksniai, esantys tarp skysčių, kurių dielektrinės konstantos skiriasi, sąsajoje. Kaip minėta aukščiau (pagal Coheno taisyklę), skystis, kurio dielektrinė konstanta mažesnė, yra neigiamai įkrautas, o skystis, kurio dielektrinė konstanta – teigiama.
Triboelektrinis efektas purškiant skysčius dėl smūgio į kieto dielektriko paviršių arba skysčio paviršių atsiranda dėl elektrinių dvigubų sluoksnių sunaikinimo ties skysčio ir dujų riba (elektrifikacija kriokliuose vyksta būtent šiuo mechanizmu). .
Nors triboelektra tam tikrose situacijose sukelia nepageidaujamą elektros krūvių kaupimąsi dielektrikuose, pavyzdžiui, ant sintetinio audinio, triboelektrinis efektas vis dėlto šiandien naudojamas tiriant elektronų gaudyklių energijos spektrą kietose medžiagose, taip pat mineralogijoje liuminescenciniams centrams tirti. , mineralai, nustatantys uolienų susidarymo sąlygas ir jų amžių.
TENG triboelektriniai nanogeneratoriai
Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad triboelektrinis efektas yra energetiškai silpnas ir neefektyvus dėl mažo ir nestabilaus šiame procese dalyvaujančio elektros krūvio tankio. Tačiau grupė „Georgia Tech“ mokslininkų rado būdą, kaip pagerinti efekto energetines charakteristikas.
Metodas yra sužadinti nanogeneratoriaus sistemą didžiausios ir stabiliausios išėjimo galios kryptimi, kaip paprastai daroma naudojant tradicinius indukcinius generatorius su magnetiniu sužadinimu.
Kartu su gerai suplanuotomis įtampos dauginimo schemomis sistema su išoriniu savaiminio įkrovimo sužadinimu gali parodyti įkrovos tankį, didesnį nei 1,25 mC kvadratiniame metre. Prisiminkite, kad gauta elektros galia yra proporcinga nurodyto dydžio kvadratui.
Mokslininkų tobulėjimas atveria realią perspektyvą artimiausioje ateityje sukurti praktiškus ir didelio našumo triboelektrinius nanogeneratorius (TENG, TENG), skirtus įkrauti nešiojamąją elektroniką energija, gaunama daugiausia iš kasdienių mechaninių žmogaus kūno judesių.
Nanogeneratoriai žada turėti mažą svorį, mažą kainą, taip pat leis savo kūrimui pasirinkti tokias medžiagas, kurios efektyviausiai generuos žemais 1-4 Hz dažniais.
Perspektyvesnė šiuo metu laikoma grandinė su išorinio krūvio siurbimu (panaši į indukcinį generatorių su išoriniu sužadinimu), kai dalis generuojamos energijos panaudojama generavimo procesui palaikyti ir darbinio krūvio tankiui didinti.
Kaip sumanė kūrėjai, generatoriaus kondensatorių ir išorinio kondensatoriaus atskyrimas leis jaudinančiai generuoti per išorinius elektrodus, tiesiogiai nepažeidžiant triboelektrinio sluoksnio.
Sužadintas krūvis tiekiamas į pagrindinio TENG nanogeneratoriaus (TENG) elektrodą, o įkrovos žadinimo sistema ir pagrindinė išėjimo apkrova TENG veikia kaip nepriklausomos sistemos.
Racionaliai suprojektavus įkrovos sužadinimo modulį, jame sukauptą krūvį galima papildyti grįžtamuoju ryšiu iš paties TENG iškrovimo proceso metu. Tokiu būdu pasiekiamas savaiminis TENG sužadinimas.
Tyrimo metu mokslininkai tyrė įvairių išorinių veiksnių, tokių kaip: dielektriko tipas ir storis, elektrodų medžiaga, dažnis, drėgmė ir kt., įtaką generavimo efektyvumui. TENG triboelektrinį sluoksnį sudaro 5 mikronų storio poliimido dielektrinė kaptono plėvelė, o elektrodai pagaminti iš vario ir aliuminio.
Dabartinis pasiekimas yra tas, kad po 50 sekundžių veikimo tik 1 Hz dažniu įkrovimas sužadinamas gana efektyviai, o tai suteikia vilties artimiausiu metu sukurti stabilius nanogeneratorius, skirtus plačiam pritaikymui.
TENG struktūroje su išoriniu krūvio sužadinimu pagrindinio generatoriaus ir išėjimo apkrovos kondensatoriaus talpos atskiriamos atskiriant tris kontaktus ir naudojant izoliacines plėveles su skirtingomis dielektrinėmis charakteristikomis, kad būtų pasiektas palyginti didelis talpos pokytis.
Pirma, įkrovimas iš įtampos šaltinio tiekiamas į pagrindinį TENG, kurio talpoje kaupiasi įtampa, kai įrenginys yra maksimalios talpos kontaktinėje būsenoje. Kai tik du elektrodai atsiskiria, įtampa didėja dėl sumažėjusios talpos ir krūvis teka iš bazinio kondensatoriaus į akumuliacinį kondensatorių, kol pasiekiama pusiausvyros būsena.
Kitoje sąlyčio būsenoje įkrovimas grįžta į pagrindinį TENG ir prisideda prie energijos generavimo, kuri bus didesnė, kuo didesnė plėvelės dielektrinė konstanta pagrindiniame kondensatoriuje. Projektinis įtampos lygis pasiekiamas naudojant diodų daugiklį.