Efekt tryboelektryczny i nanogeneratory TENG

Efekt tryboelektryczny to zjawisko pojawiania się ładunków elektrycznych w niektórych materiałach, gdy ocierają się one o siebie. Efekt ten jest z natury manifestacją elektryzowanie styków, znany ludzkości od czasów starożytnych.

Nawet Tales z Mileckiego obserwował to zjawisko w eksperymentach z bursztynowym patykiem przetartym wełną. Nawiasem mówiąc, samo słowo „elektryczność” pochodzi stąd, ponieważ w tłumaczeniu z języka greckiego słowo „elektron” oznacza bursztyn.

Materiały, które mogą wykazywać efekt tryboelektryczny, można ułożyć w tzw. porządku tryboelektrycznym: szkło, pleksiglas, nylon, wełna, jedwab, celuloza, bawełna, bursztyn, poliuretan, polistyren, teflon, guma, polietylen itp.

Na początku linii znajdują się materiały warunkowo „pozytywne”, na końcu – warunkowo „negatywne”. Jeśli weźmiesz dwa materiały tego rzędu i pocierasz je o siebie, to materiał bliżej „dodatniej” strony będzie naładowany dodatnio, a drugi naładowany ujemnie. Po raz pierwszy szereg tryboelektryczny został skompilowany w 1757 roku przez szwedzkiego fizyka Johanna Carla Wilke.

Z fizycznego punktu widzenia jeden z dwóch materiałów ocierających się o siebie będzie naładowany dodatnio, co różni się od drugiego większą stałą dielektryczną. Ten model empiryczny nazywany jest regułą Cohena i jest głównie kojarzony z do dielektryków.

Kiedy para chemicznie identycznych dielektryków ociera się o siebie, gęstszy dielektryk uzyska ładunek dodatni. W ciekłych dielektrykach substancja o wyższej stałej dielektrycznej lub wyższym napięciu powierzchniowym będzie naładowana dodatnio. Z drugiej strony metale pocierane o powierzchnię dielektryka mogą naelektryzować się zarówno dodatnio, jak i ujemnie.

Stopień naelektryzowania ocierających się o siebie ciał jest tym większy, im większa jest powierzchnia ich powierzchni. Tarcie pyłu o powierzchnię ciała, od którego się oddzieliło (szkło, marmur, pył śnieżny itp.) jest naładowane ujemnie. Kiedy pył jest przesiewany przez sito, cząstki pyłu są również naładowane.

Efekt tryboelektryczny w ciałach stałych można wyjaśnić w następujący sposób. Nośniki ładunku przemieszczają się z jednego ciała do drugiego. W półprzewodnikach i metalach efekt tryboelektryczny jest spowodowany ruchem elektronów z materiału o niższej pracy wyjścia do materiału o wyższej pracy wyjścia.

Kiedy dielektryk ociera się o metal, następuje elektryfikacja tryboelektryczna w wyniku przejścia elektronów z metalu do dielektryka. Kiedy para dielektryków pociera się o siebie, zjawisko to zachodzi w wyniku wzajemnego przenikania się odpowiednich jonów i elektronów.

Istotny wkład w nasilenie efektu tryboelektrycznego mogą mieć różne stopnie nagrzewania ciał w procesie ich tarcia o siebie, ponieważ fakt ten powoduje przemieszczenie nośników z lokalnych niejednorodności bardziej nagrzanej substancji — „prawda” tryboelektryczność. Ponadto mechaniczne usuwanie poszczególnych elementów powierzchniowych piezoelektryków lub piroelektryków może prowadzić do efektu tryboelektrycznego.

W przypadku cieczy manifestacja efektu tryboelektrycznego związana jest z pojawieniem się podwójnych warstw elektrycznych na styku dwóch ośrodków płynnych lub na styku cieczy i ciała stałego.Gdy ciecze ocierają się o metale (podczas przepływu lub rozprysków uderzeniowych), tryboelektryczność występuje w wyniku rozdzielenia ładunków na granicy faz między metalem a cieczą.

Elektryfikacja przez pocieranie dwóch ciekłych dielektryków jest spowodowana obecnością podwójnych warstw elektrycznych na granicy między cieczami, których stałe dielektryczne są różne. Jak wspomniano powyżej (zgodnie z regułą Cohena), ciecz o niższej stałej dielektrycznej jest naładowana ujemnie, a ciecz o wyższej dodatnio.

Efekt tryboelektryczny podczas rozpryskiwania cieczy w wyniku uderzenia w powierzchnię stałego dielektryka lub w powierzchnię cieczy jest spowodowany zniszczeniem podwójnych warstw elektrycznych na granicy cieczy i gazu (elektryzacja w wodospadach zachodzi właśnie dzięki temu mechanizmowi) .

Chociaż tryboelektryczność prowadzi w niektórych sytuacjach do niepożądanej akumulacji ładunków elektrycznych w dielektrykach, np. , minerały, określające warunki powstawania skał i ich wiek.

Tryboelektryczne nanogeneratory TENG

Na pierwszy rzut oka efekt tryboelektryczny wydaje się być energetycznie słaby i nieefektywny ze względu na niską i niestabilną gęstość ładunku elektrycznego zaangażowanego w ten proces. Jednak grupa naukowców z Georgia Tech znalazła sposób na poprawę charakterystyki energetycznej efektu.

Metoda polega na wzbudzeniu układu nanogeneratora w kierunku najwyższej i najbardziej stabilnej mocy wyjściowej, tak jak to się zwykle robi w odniesieniu do tradycyjnych generatorów indukcyjnych ze wzbudzeniem magnetycznym.

W połączeniu z dobrze zaprojektowanymi wynikowymi schematami mnożenia napięcia, system z zewnętrznym samowzbudzeniem może wykazywać gęstość ładunku przekraczającą 1,25 mC na metr kwadratowy. Przypomnijmy, że wynikowa moc elektryczna jest proporcjonalna do kwadratu podanej wielkości.

Rozwój naukowców otwiera realną perspektywę stworzenia w niedalekiej przyszłości praktycznych i wysokowydajnych nanogeneratorów tryboelektrycznych (TENG, TENG) do ładowania przenośnej elektroniki energią pozyskiwaną głównie z codziennych mechanicznych ruchów ciała człowieka.

Nanogeneratory obiecują niską wagę, niski koszt, a także pozwolą wybrać do ich stworzenia te materiały, które najskuteczniej będą generować przy niskich częstotliwościach rzędu 1-4 Hz.

Obwód z zewnętrznym pompowaniem ładunku (podobny do generatora indukcyjnego z zewnętrznym wzbudzeniem) jest uważany za bardziej obiecujący w momencie, gdy część wytworzonej energii jest wykorzystywana do wspomagania procesu generowania i zwiększania roboczej gęstości ładunku.

Zgodnie z koncepcją twórców, oddzielenie kondensatorów generatora i kondensatora zewnętrznego umożliwi ekscytujące generowanie przez zewnętrzne elektrody bez bezpośredniego wpływu na warstwę tryboelektryczną.

Wzbudzony ładunek jest dostarczany do elektrody głównego nanogeneratora TENG (TENG), podczas gdy układ wzbudzenia ładunku i główne obciążenie wyjściowe TENG pracują jako niezależne układy.

Dzięki racjonalnej konstrukcji modułu wzbudzenia ładunku zgromadzony w nim ładunek można uzupełnić poprzez sprzężenie zwrotne z samego TENG podczas procesu rozładowania. W ten sposób osiąga się samowzbudzenie TENG.

W trakcie badań naukowcy badali wpływ na wydajność generowania różnych czynników zewnętrznych, takich jak: rodzaj i grubość dielektryka, materiał elektrod, częstotliwość, wilgotność itp. Na tym etapie Warstwa tryboelektryczna TENG zawiera poliimidową dielektryczną folię kaptonową o grubości 5 mikronów, a elektrody wykonane są z miedzi i aluminium.

Obecnym osiągnięciem jest to, że już po 50 sekundach pracy z częstotliwością zaledwie 1 Hz ładunek jest wzbudzany dość wydajnie, co daje nadzieję na stworzenie w niedalekiej przyszłości stabilnych nanogeneratorów do szerokich zastosowań.

W strukturze TENG z zewnętrznym wzbudzaniem ładunkiem separacja pojemności generatora głównego i wyjściowego kondensatora obciążenia jest realizowana poprzez rozdzielenie trzech styków i zastosowanie folii izolacyjnych o różnych właściwościach dielektrycznych w celu uzyskania stosunkowo dużej zmiany pojemności.

Najpierw ładunek ze źródła napięcia jest dostarczany do głównego TENG, na którego pojemności narasta napięcie, gdy urządzenie jest w stanie styku o maksymalnej pojemności. Gdy tylko dwie elektrody się rozdzielą, napięcie wzrasta z powodu spadku pojemności, a ładunek przepływa od kondensatora podstawowego do kondensatora magazynującego, aż do osiągnięcia stanu równowagi.

W kolejnym stanie styku ładunek powraca do głównego TENG i przyczynia się do generacji energii, która będzie tym większa, im wyższa stała dielektryczna folii w głównym kondensatorze. Osiągnięcie projektowego poziomu napięcia odbywa się za pomocą mnożnika diodowego.