Трибоелектрични ефекат и ТЕНГ наногенератори

Трибоелектрични ефекат је појава појаве електричних наелектрисања у неким материјалима када се трљају један о други. Овај ефекат је инхерентно манифестација електрификација контакта, који је човечанству познат од давнина.

Чак је и Талес од Милецког посматрао ову појаву у експериментима са ћилибарским штапом протрљаним вуном. Иначе, одатле потиче и сама реч „струја“, јер у преводу са грчког реч „електрон“ значи ћилибар.

Материјали који могу да испоље трибоелектрични ефекат могу се распоредити у такозваном трибоелектричном реду: стакло, плексиглас, најлон, вуна, свила, целулоза, памук, ћилибар, полиуретан, полистирен, тефлон, гума, полиетилен итд.

На почетку линије налазе се условно "позитивни" материјали, на крају - условно "негативни". Ако узмете два материјала овог реда и трљате их један о други, онда ће материјал ближе "позитивној" страни бити позитивно, а други негативно. По први пут, трибоелектричну серију саставио је 1757. шведски физичар Јохан Карл Вилке.

Са физичке тачке гледишта, један од два материјала који се трљају један о други биће позитивно наелектрисан, што се од другог разликује по већој диелектричној константи. Овај емпиријски модел се назива Коеново правило и углавном се повезује са до диелектрика.

Када се пар хемијски идентичних диелектрика трља један о други, гушћи ће добити позитивно наелектрисање. У течним диелектрицима, супстанца са већом диелектричном константом или већим површинским напоном биће позитивно наелектрисана. Метали, с друге стране, када се трљају о површину диелектрика, могу постати и позитивно и негативно наелектрисани.

Степен наелектрисања тела која се трљају једно о друго је значајнији што је већа површина њихових површина. Трење прашине о површини тела од које се одвојило (стакло, мермер, снежна прашина и др.) је негативно наелектрисано. Када се прашина просеје кроз сито, честице прашине се такође наелектришу.

Трибоелектрични ефекат у чврстим материјама може се објаснити на следећи начин. Носачи набоја се крећу од једног тела до другог. Код полупроводника и метала, трибоелектрични ефекат настаје услед кретања електрона из материјала са нижом радном радном функцијом у материјал са вишом радном функцијом.

Када се диелектрик трља о метал, долази до трибоелектричне наелектрисања услед преласка електрона са метала на диелектрик. Када се пар диелектрика трља један о други, феномен настаје услед међусобног продирања одговарајућих јона и електрона.

Значајан допринос јачини трибоелектричног ефекта могу бити различити степени загревања тела у процесу њиховог трења једно о друго, јер ова чињеница изазива померање носача из локалних нехомогености више загрејане супстанце — „тачно“ трибоелектричност. Поред тога, механичко уклањање појединачних површинских елемената пиезоелектрика или пироелектрика може довести до трибоелектричног ефекта.

Примењено на течности, манифестација трибоелектричног ефекта је повезана са појавом електричних двоструких слојева на граници између два течна медија или на граници између течности и чврсте супстанце.Када се течности трљају о метале (приликом струјања или ударних прскања), трибоелектрицитет настаје услед раздвајања наелектрисања на граници између метала и течности.

Електрификација трљањем два течна диелектрика је узрокована присуством двоструких електричних слојева на граници између течности чије су диелектричне константе различите. Као што је горе поменуто (према Коеновом правилу), течност са нижом диелектричном константом је негативно наелектрисана, а течност са већом је позитивно наелектрисана.

Трибоелектрични ефекат при прскању течности услед удара на површину чврстог диелектрика или на површину течности настаје уништавањем двоструких електричних слојева на граници између течности и гаса (наелектрисање у водопадима се дешава управо овим механизмом) .

Иако трибоелектрицитет у неким ситуацијама доводи до нежељеног нагомилавања електричних наелектрисања у диелектрицима, као што је на синтетичкој тканини, трибоелектрични ефекат се ипак данас користи у проучавању енергетског спектра електронских замки у чврстим материјама, као и у минералогији за проучавање луминисцентних центара. , минерали, одређујући услове за формирање стена и њихову старост.

ТЕНГ трибоелектрични наногенератори

На први поглед изгледа да је трибоелектрични ефекат енергетски слаб и неефикасан због ниске и нестабилне густине електричног набоја укљученог у овај процес. Међутим, група научника са Георгиа Тецх-а пронашла је начин да побољша енергетске карактеристике ефекта.

Метода је да се систем наногенератора побуђује у правцу највеће и најстабилније излазне снаге, као што се обично ради у односу на традиционалне индукционе генераторе са магнетном побудом.

У комбинацији са добро дизајнираним резултујућим шемама множења напона, систем са ексцитацијом екстерног самопуњења је способан да покаже густину наелектрисања већу од 1,25 мЦ по квадратном метру. Подсетимо се да је резултујућа електрична снага пропорционална квадрату дате количине.

Развој научника отвара реалну перспективу за стварање у блиској будућности практичних и високих перформанси трибоелектричних наногенератора (ТЕНГ, ТЕНГ) за пуњење преносиве електронике енергијом добијеном углавном из свакодневних механичких покрета људског тела.

Наногенератори обећавају малу тежину, ниску цену, а такође ће вам омогућити да одаберете за њихово стварање оне материјале који ће најефикасније генерисати на ниским фреквенцијама реда од 1-4 Хз.

Коло са екстерним пумпањем пуњења (слично индукционом генератору са спољном побудом) сматра се перспективнијим у овом тренутку, када се део генерисане енергије користи за подршку процеса генерисања и повећање радне густине пуњења.

Како су замислили програмери, раздвајање кондензатора генератора и екстерног кондензатора ће омогућити узбудљиву генерацију кроз спољне електроде без директног утицаја на трибоелектрични слој.

Побуђено пуњење се доводи на електроду главног ТЕНГ наногенератора (ТЕНГ), док систем побуде наелектрисања и главно излазно оптерећење ТЕНГ раде као независни системи.

Са рационалним дизајном модула за побуђивање пуњења, акумулирани набој у њему може се допунити повратном спрегом од самог ТЕНГ-а током процеса пражњења. На овај начин се постиже самопобуђење ТЕНГ-а.

У току истраживања научници су проучавали утицај на ефикасност генерисања различитих спољних фактора, као што су: врста и дебљина диелектрика, материјал електрода, фреквенција, влажност итд. У овој фази, ТЕНГ трибоелектрични слој укључује полиимидни диелектрични каптон филм дебљине 5 микрона, а електроде су направљене од бакра и алуминијума.

Тренутно достигнуће је да се након 50 секунди рада на фреквенцији од само 1 Хз, пуњење прилично ефикасно побуђује, што даје наду за стварање у блиској будућности стабилних наногенератора за широку примену.

У ТЕНГ структури са ексцитацијом наелектрисања, раздвајање капацитивности главног генератора и кондензатора излазног оптерећења се постиже раздвајањем три контакта и употребом изолационих филмова са различитим диелектричним карактеристикама како би се постигла релативно велика промена капацитивности.

Прво, пуњење из извора напона се доводи до главног ТЕНГ-а, на чијој капацитивности се напон ствара док је уређај у контактном стању максималне капацитивности. Чим се две електроде раздвоје, напон се повећава услед смањења капацитивности и наелектрисање тече од базног кондензатора до кондензатора за складиштење док се не постигне равнотежно стање.

У следећем стању контакта, наелектрисање се враћа у главни ТЕНГ и доприноси стварању енергије, која ће бити већа што је већа диелектрична константа филма у главном кондензатору. Постизање пројектованог нивоа напона врши се помоћу диодног множитеља.