Kesan triboelektrik dan penjana nano TENG

Kesan triboelektrik ialah fenomena kemunculan cas elektrik dalam sesetengah bahan apabila ia bergesel antara satu sama lain. Kesan ini sememangnya merupakan manifestasi elektrifikasi kenalan, yang telah diketahui oleh manusia sejak zaman dahulu.

Malah Thales of Miletsky memerhatikan fenomena ini dalam eksperimen dengan kayu ambar yang digosok dengan bulu. Dengan cara ini, perkataan "elektrik" berasal dari sana, kerana diterjemahkan dari bahasa Yunani, perkataan "elektron" bermaksud ambar.

Bahan yang boleh mempamerkan kesan triboelektrik boleh disusun mengikut susunan triboelektrik yang dipanggil: kaca, kaca plexiglass, nilon, bulu, sutera, selulosa, kapas, ambar, poliuretana, polistirena, Teflon, getah, polietilena, dsb.

Pada permulaan baris terdapat bahan "positif" bersyarat, pada akhirnya - bersyarat "negatif". Jika anda mengambil dua bahan pesanan ini dan menggosoknya antara satu sama lain, maka bahan yang lebih dekat dengan bahagian "positif" akan dicas positif dan satu lagi dicas negatif. Buat pertama kalinya, siri triboelektrik telah disusun pada tahun 1757 oleh ahli fizik Sweden Johann Carl Wilke.

Dari sudut fizikal, salah satu daripada dua bahan yang bergesel antara satu sama lain akan bercas positif, yang berbeza daripada yang lain dengan pemalar dielektriknya yang lebih besar. Model empirikal ini dipanggil peraturan Cohen dan terutamanya dikaitkan dengan kepada dielektrik.

Apabila sepasang dielektrik yang serupa secara kimia bergesel antara satu sama lain, yang lebih tumpat akan memperoleh cas positif. Dalam dielektrik cecair, bahan dengan pemalar dielektrik yang lebih tinggi atau tegangan permukaan yang lebih tinggi akan bercas positif. Logam, sebaliknya, apabila digosok pada permukaan dielektrik, boleh menjadi baik secara positif dan negatif.

Tahap elektrifikasi badan yang bergesel antara satu sama lain adalah lebih ketara, lebih besar luas permukaannya. Geseran habuk pada permukaan badan dari mana ia dipisahkan (kaca, marmar, habuk salji, dll.) Bercas negatif. Apabila habuk diayak melalui penapis, zarah habuk juga dicas.

Kesan triboelektrik dalam pepejal boleh dijelaskan seperti berikut. Pembawa caj bergerak dari satu badan ke badan yang lain. Dalam semikonduktor dan logam, kesan triboelektrik adalah disebabkan oleh pergerakan elektron daripada bahan dengan fungsi kerja yang lebih rendah kepada bahan dengan fungsi kerja yang lebih tinggi.

Apabila dielektrik bergesel dengan logam, elektrifikasi triboelektrik berlaku disebabkan oleh peralihan elektron daripada logam kepada dielektrik. Apabila sepasang dielektrik bergesel, fenomena itu berlaku disebabkan oleh penembusan bersama ion dan elektron yang sepadan.

Sumbangan penting kepada keterukan kesan triboelektrik boleh menjadi tahap pemanasan badan yang berbeza dalam proses geseran mereka terhadap satu sama lain, kerana fakta ini menyebabkan anjakan pembawa dari ketidakhomogenan tempatan bahan yang lebih panas — "benar" triboelektrik. Di samping itu, penyingkiran mekanikal unsur permukaan individu piezoelektrik atau piroelektrik boleh membawa kepada kesan triboelektrik.

Digunakan pada cecair, manifestasi kesan triboelektrik adalah berkaitan dengan penampilan lapisan dua elektrik pada antara muka antara dua media cecair atau pada antara muka antara cecair dan pepejal. Apabila cecair bergesel dengan logam (semasa aliran atau hentaman percikan), triboelektrik berlaku disebabkan oleh pemisahan cas pada antara muka antara logam dan cecair.

Elektrifikasi dengan menggosok dua dielektrik cecair disebabkan oleh kehadiran lapisan dua elektrik pada antara muka antara cecair yang pemalar dielektriknya berbeza. Seperti yang dinyatakan di atas (mengikut peraturan Cohen), cecair dengan pemalar dielektrik yang lebih rendah bercas negatif, dan cecair dengan yang lebih tinggi bercas positif.

Kesan triboelektrik apabila memercikkan cecair akibat hentaman pada permukaan dielektrik pepejal atau pada permukaan cecair disebabkan oleh pemusnahan lapisan dua elektrik di sempadan antara cecair dan gas (elektrifikasi dalam air terjun berlaku dengan tepat melalui mekanisme ini) .

Walaupun triboelektrik membawa dalam beberapa situasi kepada pengumpulan cas elektrik yang tidak diingini dalam dielektrik, seperti pada fabrik sintetik, namun kesan triboelektrik digunakan hari ini dalam kajian spektrum tenaga perangkap elektron dalam pepejal, serta dalam mineralogi untuk mengkaji pusat bercahaya. , mineral, menentukan keadaan pembentukan batuan dan umurnya.

TENG penjana nanoelektrik tribo

Pada pandangan pertama, kesan triboelektrik kelihatan lemah dan tidak cekap secara bertenaga kerana ketumpatan cas elektrik yang rendah dan tidak stabil yang terlibat dalam proses ini. Walau bagaimanapun, sekumpulan saintis di Georgia Tech telah menemui cara untuk meningkatkan ciri tenaga kesannya.

Kaedahnya adalah untuk merangsang sistem penjana nano ke arah kuasa keluaran tertinggi dan paling stabil, seperti yang biasanya dilakukan berkenaan dengan penjana aruhan tradisional dengan pengujaan magnet.

Bersempena dengan skema pendaraban voltan terhasil yang direka dengan baik, sistem dengan pengujaan cas sendiri luaran mampu mempamerkan ketumpatan cas melebihi 1.25 mC setiap meter persegi. Ingat bahawa kuasa elektrik yang terhasil adalah berkadar dengan kuasa dua kuantiti yang diberikan.

Perkembangan saintis membuka prospek sebenar untuk penciptaan dalam masa terdekat penjana nanoelektrik triboelektrik praktikal dan berprestasi tinggi (TENG, TENG) untuk mengecas elektronik mudah alih dengan tenaga yang diperoleh terutamanya daripada pergerakan mekanikal harian tubuh manusia.

Nanogenerators berjanji untuk mempunyai berat yang rendah, kos rendah, dan juga akan membolehkan anda memilih untuk penciptaan mereka bahan-bahan yang paling berkesan akan menjana pada frekuensi rendah urutan 1-4 Hz.

Litar dengan pengepaman cas luaran (serupa dengan penjana aruhan dengan pengujaan luaran) dianggap lebih menjanjikan pada masa ini, apabila sebahagian daripada tenaga yang dijana digunakan untuk menyokong proses penjanaan dan meningkatkan ketumpatan cas kerja.

Seperti yang difikirkan oleh pemaju, pemisahan kapasitor penjana dan kapasitor luaran akan membolehkan penjanaan menarik melalui elektrod luaran tanpa menjejaskan lapisan triboelektrik secara langsung.

Caj teruja dibekalkan kepada elektrod penjana nano TENG utama (TENG), manakala sistem pengujaan cas dan beban keluaran utama TENG berfungsi sebagai sistem bebas.

Dengan reka bentuk rasional modul pengujaan cas, cas terkumpul di dalamnya boleh diisi semula dengan maklum balas daripada TENG itu sendiri semasa proses nyahcas. Dengan cara ini, pengujaan diri TENG tercapai.

Dalam perjalanan penyelidikan, para saintis mengkaji kesan ke atas kecekapan penjanaan pelbagai faktor luaran, seperti: jenis dan ketebalan dielektrik, bahan elektrod, frekuensi, kelembapan, dll. Pada peringkat ini, lapisan triboelektrik TENG termasuk filem kapton dielektrik poliimida dengan ketebalan 5 mikron, dan elektrod diperbuat daripada tembaga dan aluminium.

Pencapaian semasa ialah selepas 50 saat beroperasi pada frekuensi hanya 1 Hz, caj diuja dengan agak cekap, yang memberikan harapan untuk penciptaan dalam masa terdekat penjana nano stabil untuk aplikasi yang luas.

Dalam struktur TENG dengan pengujaan cas luaran, pemisahan kapasitansi penjana utama dan kapasitor beban output dicapai dengan memisahkan tiga kenalan dan menggunakan filem penebat dengan ciri dielektrik yang berbeza untuk mencapai perubahan yang agak besar dalam kapasitansi.

Pertama, cas daripada sumber voltan dibekalkan kepada TENG utama, pada kapasitansi yang mana voltan terkumpul semasa peranti berada dalam keadaan sentuhan kapasiti maksimum. Sebaik sahaja kedua-dua elektrod berpisah, voltan meningkat disebabkan oleh penurunan kapasiti dan cas mengalir dari kapasitor asas ke kapasitor penyimpanan sehingga keadaan keseimbangan dicapai.

Dalam keadaan hubungan seterusnya, cas kembali ke TENG utama dan menyumbang kepada penjanaan tenaga, yang akan menjadi lebih besar semakin tinggi pemalar dielektrik filem dalam kapasitor utama. Mencapai tahap voltan reka bentuk dilakukan menggunakan pengganda diod.