Τριβοηλεκτρικό φαινόμενο και νανογεννήτριες TENG
Το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εμφάνισης ηλεκτρικών φορτίων σε ορισμένα υλικά όταν τρίβονται μεταξύ τους. Αυτό το αποτέλεσμα είναι εγγενώς μια εκδήλωση ηλεκτροδότηση επαφής, που είναι γνωστό στην ανθρωπότητα από τα αρχαία χρόνια.
Ακόμη και ο Thales of Miletsky παρατήρησε αυτό το φαινόμενο σε πειράματα με ένα κεχριμπαρένιο ραβδί τριμμένο με μαλλί. Παρεμπιπτόντως, η ίδια η λέξη "ηλεκτρισμός" προέρχεται από εκεί, γιατί μεταφρασμένη από τα ελληνικά, η λέξη "ηλεκτρόνιο" σημαίνει κεχριμπάρι.
Τα υλικά που μπορούν να επιδείξουν τριβοηλεκτρικό αποτέλεσμα μπορούν να ταξινομηθούν με τη λεγόμενη τριβοηλεκτρική σειρά: γυαλί, πλεξιγκλάς, νάιλον, μαλλί, μετάξι, κυτταρίνη, βαμβάκι, κεχριμπάρι, πολυουρεθάνη, πολυστυρένιο, τεφλόν, καουτσούκ, πολυαιθυλένιο κ.λπ.
Στην αρχή της γραμμής υπάρχουν υπό όρους "θετικά" υλικά, στο τέλος - υπό όρους "αρνητικά". Εάν πάρετε δύο υλικά αυτής της σειράς και τα τρίψετε το ένα πάνω στο άλλο, τότε το υλικό που βρίσκεται πιο κοντά στη «θετική» πλευρά θα φορτιστεί θετικά και το άλλο αρνητικά. Για πρώτη φορά, μια τριβοηλεκτρική σειρά συντάχθηκε το 1757 από τον Σουηδό φυσικό Johann Carl Wilke.
Από φυσική άποψη, το ένα από τα δύο υλικά που τρίβονται μεταξύ τους θα είναι θετικά φορτισμένο, το οποίο διαφέρει από το άλλο λόγω της μεγαλύτερης διηλεκτρικής του σταθεράς. Αυτό το εμπειρικό μοντέλο ονομάζεται κανόνας του Κοέν και συνδέεται κυρίως με στα διηλεκτρικά.
Όταν ένα ζεύγος χημικά πανομοιότυπων διηλεκτρικών τρίβονται μεταξύ τους, το πιο πυκνό θα αποκτήσει θετικό φορτίο. Στα υγρά διηλεκτρικά, μια ουσία με υψηλότερη διηλεκτρική σταθερά ή υψηλότερη επιφανειακή τάση θα είναι θετικά φορτισμένη. Τα μέταλλα, από την άλλη πλευρά, όταν τρίβονται στην επιφάνεια ενός διηλεκτρικού, μπορούν να ηλεκτριστούν τόσο θετικά όσο και αρνητικά.
Ο βαθμός ηλεκτροδότησης των σωμάτων που τρίβονται μεταξύ τους είναι πιο σημαντικός, όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή των επιφανειών τους. Η τριβή της σκόνης στην επιφάνεια του σώματος από την οποία χωρίστηκε (γυαλί, μάρμαρο, σκόνη χιονιού κ.λπ.) είναι αρνητικά φορτισμένη. Όταν η σκόνη κοσκινίζεται μέσα από ένα κόσκινο, φορτίζονται και τα σωματίδια της σκόνης.
Η τριβοηλεκτρική επίδραση στα στερεά μπορεί να εξηγηθεί ως εξής. Οι φορείς φόρτισης μετακινούνται από το ένα σώμα στο άλλο. Στους ημιαγωγούς και τα μέταλλα, το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων από ένα υλικό με χαμηλότερη συνάρτηση εργασίας σε ένα υλικό με υψηλότερη συνάρτηση εργασίας.
Όταν ένα διηλεκτρικό τρίβεται πάνω σε ένα μέταλλο, ο τριβοηλεκτρικός ηλεκτρισμός συμβαίνει λόγω της μετάβασης των ηλεκτρονίων από το μέταλλο στο διηλεκτρικό. Όταν ένα ζεύγος διηλεκτρικών τρίβονται μεταξύ τους, το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της αμοιβαίας διείσδυσης των αντίστοιχων ιόντων και ηλεκτρονίων.
Σημαντική συμβολή στη σοβαρότητα του τριβοηλεκτρικού φαινομένου μπορεί να είναι οι διαφορετικοί βαθμοί θέρμανσης των σωμάτων κατά τη διαδικασία της τριβής τους μεταξύ τους, καθώς αυτό το γεγονός προκαλεί τη μετατόπιση των φορέων από τοπικές ανομοιογένειες μιας πιο θερμαινόμενης ουσίας - "αληθής" τριβοηλεκτρισμός. Επιπλέον, η μηχανική αφαίρεση μεμονωμένων επιφανειακών στοιχείων πιεζοηλεκτρικών ή πυροηλεκτρικών μπορεί να οδηγήσει σε τριβοηλεκτρικό φαινόμενο.
Εφαρμόζεται στα υγρά, η εκδήλωση του τριβοηλεκτρικού φαινομένου σχετίζεται με την εμφάνιση ηλεκτρικών διπλών στρωμάτων στη διεπαφή μεταξύ δύο υγρών μέσων ή στη διεπαφή υγρού και ενός στερεού. Όταν τα υγρά τρίβονται με μέταλλα (κατά τη διάρκεια της ροής ή των πιτσιλιών κρούσης), ο τριβοηλεκτρισμός εμφανίζεται λόγω του διαχωρισμού των φορτίων στη διεπιφάνεια μεταξύ του μετάλλου και του υγρού.
Ο ηλεκτρισμός με το τρίψιμο δύο υγρών διηλεκτρικών προκαλείται από την παρουσία ηλεκτρικών διπλών στρωμάτων στη διεπιφάνεια μεταξύ υγρών των οποίων οι διηλεκτρικές σταθερές είναι διαφορετικές. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω (σύμφωνα με τον κανόνα του Cohen), ένα υγρό με χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά είναι αρνητικά φορτισμένο και ένα υγρό με υψηλότερη είναι θετικά φορτισμένο.
Το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο κατά το πιτσίλισμα υγρών λόγω πρόσκρουσης στην επιφάνεια ενός στερεού διηλεκτρικού ή στην επιφάνεια ενός υγρού προκαλείται από την καταστροφή ηλεκτρικών διπλών στρωμάτων στο όριο μεταξύ υγρού και αερίου (η ηλεκτροδότηση στους καταρράκτες συμβαίνει ακριβώς με αυτόν τον μηχανισμό) .
Αν και ο τριβοηλεκτρισμός οδηγεί σε ορισμένες περιπτώσεις σε ανεπιθύμητη συσσώρευση ηλεκτρικών φορτίων στα διηλεκτρικά, όπως σε συνθετικό ύφασμα, το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται ωστόσο σήμερα στη μελέτη του ενεργειακού φάσματος των παγίδων ηλεκτρονίων σε στερεά, καθώς και στην ορυκτολογία για τη μελέτη των κέντρων φωταύγειας , ορυκτά, προσδιορίζοντας τις συνθήκες σχηματισμού των πετρωμάτων και την ηλικία τους.
Τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες TENG
Με την πρώτη ματιά, το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο φαίνεται να είναι ενεργειακά αδύναμο και αναποτελεσματικό λόγω της χαμηλής και ασταθούς πυκνότητας ηλεκτρικού φορτίου που εμπλέκεται σε αυτή τη διαδικασία. Ωστόσο, μια ομάδα επιστημόνων της Georgia Tech έχει βρει έναν τρόπο να βελτιώσει τα ενεργειακά χαρακτηριστικά του φαινομένου.
Η μέθοδος είναι να διεγείρουμε το σύστημα νανογεννήτριας προς την κατεύθυνση της υψηλότερης και πιο σταθερής ισχύος εξόδου, όπως συνήθως γίνεται σε σχέση με τις παραδοσιακές γεννήτριες επαγωγής με μαγνητική διέγερση.
Σε συνδυασμό με καλά σχεδιασμένα σχήματα πολλαπλασιασμού τάσης που προκύπτουν, ένα σύστημα με εξωτερική διέγερση αυτοφόρτισης είναι ικανό να εμφανίζει πυκνότητες φορτίου άνω του 1,25 mC ανά τετραγωνικό μέτρο. Θυμηθείτε ότι η ηλεκτρική ισχύς που προκύπτει είναι ανάλογη του τετραγώνου της δεδομένης ποσότητας.
Η ανάπτυξη των επιστημόνων ανοίγει μια πραγματική προοπτική για τη δημιουργία στο εγγύς μέλλον πρακτικών και υψηλής απόδοσης τριβοηλεκτρικών νανογεννητριών (TENG, TENG) για τη φόρτιση φορητών ηλεκτρονικών με ενέργεια που λαμβάνεται κυρίως από τις καθημερινές μηχανικές κινήσεις του ανθρώπινου σώματος.
Οι νανογεννήτριες υπόσχονται να έχουν χαμηλό βάρος, χαμηλό κόστος και επίσης θα σας επιτρέψουν να επιλέξετε για τη δημιουργία τους εκείνα τα υλικά που θα παράγουν πιο αποτελεσματικά σε χαμηλές συχνότητες της τάξης των 1-4 Hz.
Ένα κύκλωμα με εξωτερική άντληση φορτίου (παρόμοιο με μια γεννήτρια επαγωγής με εξωτερική διέγερση) θεωρείται πιο υποσχόμενο αυτή τη στιγμή, όταν μέρος της παραγόμενης ενέργειας χρησιμοποιείται για την υποστήριξη της διαδικασίας παραγωγής και την αύξηση της πυκνότητας φορτίου εργασίας.
Όπως επινοήθηκε από τους προγραμματιστές, ο διαχωρισμός των πυκνωτών της γεννήτριας και του εξωτερικού πυκνωτή θα επιτρέψει τη συναρπαστική παραγωγή μέσω των εξωτερικών ηλεκτροδίων χωρίς να επηρεαστεί άμεσα το τριβοηλεκτρικό στρώμα.
Το διεγερμένο φορτίο τροφοδοτείται στο ηλεκτρόδιο της κύριας νανογεννήτριας TENG (TENG), ενώ το σύστημα διέγερσης φορτίου και το κύριο φορτίο εξόδου TENG λειτουργούν ως ανεξάρτητα συστήματα.
Με έναν ορθολογικό σχεδιασμό της μονάδας διέγερσης φορτίου, το συσσωρευμένο φορτίο σε αυτό μπορεί να αναπληρωθεί με ανάδραση από το ίδιο το TENG κατά τη διαδικασία εκφόρτισης. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αυτοδιέγερση του TENG.
Κατά τη διάρκεια της έρευνας, οι επιστήμονες μελέτησαν την επίδραση στην απόδοση παραγωγής διαφόρων εξωτερικών παραγόντων, όπως: ο τύπος και το πάχος του διηλεκτρικού, το υλικό των ηλεκτροδίων, η συχνότητα, η υγρασία κ.λπ. το τριβοηλεκτρικό στρώμα TENG περιλαμβάνει ένα πολυϊμιδικό διηλεκτρικό καπτόνιο με πάχος 5 microns και τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από χαλκό και αλουμίνιο.
Το σημερινό επίτευγμα είναι ότι μετά από 50 δευτερόλεπτα λειτουργίας σε συχνότητα μόνο 1 Hz, η φόρτιση διεγείρεται αρκετά αποτελεσματικά, γεγονός που δίνει ελπίδα για τη δημιουργία στο εγγύς μέλλον σταθερών νανογεννητριών για ευρείες εφαρμογές.
Στη δομή TENG με διέγερση εξωτερικού φορτίου, ο διαχωρισμός των χωρητικοτήτων της κύριας γεννήτριας και του πυκνωτή φορτίου εξόδου επιτυγχάνεται με το διαχωρισμό τριών επαφών και τη χρήση μονωτικών φιλμ με διαφορετικά διηλεκτρικά χαρακτηριστικά για να επιτευχθεί σχετικά μεγάλη αλλαγή στις χωρητικότητες.
Πρώτον, η φόρτιση από την πηγή τάσης τροφοδοτείται στο κύριο TENG, στην χωρητικότητα του οποίου δημιουργείται τάση ενώ η συσκευή βρίσκεται σε κατάσταση επαφής μέγιστης χωρητικότητας. Μόλις διαχωριστούν τα δύο ηλεκτρόδια, η τάση αυξάνεται λόγω μείωσης της χωρητικότητας και το φορτίο ρέει από τον πυκνωτή βάσης στον πυκνωτή αποθήκευσης μέχρι να επιτευχθεί μια κατάσταση ισορροπίας.
Στην επόμενη κατάσταση επαφής, το φορτίο επιστρέφει στο κύριο TENG και συμβάλλει στην παραγωγή ενέργειας, η οποία θα είναι μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά του φιλμ στον κύριο πυκνωτή. Η επίτευξη του επιπέδου τάσης σχεδιασμού γίνεται με χρήση πολλαπλασιαστή διόδου.