Triboelektrický jev a nanogenerátory TENG

Triboelektrický jev je jev vzniku elektrických nábojů v některých materiálech, když se o sebe třou. Tento efekt je ze své podstaty projevem kontaktní elektrifikace, který je lidstvu znám již od pradávna.

Dokonce i Thales z Miletsky pozoroval tento jev při pokusech s jantarovou tyčinkou třenou vlnou. Mimochodem, odtud pochází i samotné slovo „elektřina“, protože v překladu z řečtiny znamená slovo „elektron“ jantar.

Materiály, které mohou vykazovat triboelektrický efekt, lze seřadit v tzv. triboelektrickém pořadí: sklo, plexisklo, nylon, vlna, hedvábí, celulóza, bavlna, jantar, polyuretan, polystyren, teflon, guma, polyethylen atd.

Na začátku řádku jsou podmíněně "pozitivní" materiály, na konci - podmíněně "negativní". Pokud vezmete dva materiály tohoto řádu a otřete je o sebe, pak materiál blíže „kladné“ straně bude kladně nabitý a druhý záporně nabitý. Triboelektrickou řadu poprvé sestavil v roce 1757 švédský fyzik Johann Carl Wilke.

Z fyzikálního hlediska bude jeden ze dvou materiálů, které se o sebe třou, kladně nabitý, který se od druhého liší svou větší dielektrickou konstantou. Tento empirický model se nazývá Cohenovo pravidlo a je spojen především s k dielektrikům.

Když se dvojice chemicky identických dielektrik tře o sebe, hustší získá kladný náboj. V kapalném dielektriku bude kladně nabitá látka s vyšší dielektrickou konstantou nebo vyšším povrchovým napětím. Na druhé straně, kovy, když se tírají o povrch dielektrika, mohou být pozitivně i negativně elektrizovány.

Stupeň elektrifikace těles, která se o sebe třou, je tím významnější, čím větší je plocha jejich povrchů. Tření prachu na povrchu tělesa, ze kterého se oddělil (sklo, mramor, sněhový prach atd.), je záporně nabité. Při prosévání prachu přes síto se nabijí i prachové částice.

Triboelektrický jev v pevných látkách lze vysvětlit následovně. Nosiče náboje se pohybují z jednoho těla do druhého. V polovodičích a kovech je triboelektrický jev způsoben pohybem elektronů z materiálu s nižší pracovní funkcí do materiálu s vyšší pracovní funkcí.

Když se dielektrikum otírá o kov, dochází k triboelektrické elektrifikaci v důsledku přechodu elektronů z kovu do dielektrika. Když se dvojice dielektrik tře o sebe, jev nastává v důsledku vzájemného pronikání odpovídajících iontů a elektronů.

Významným příspěvkem k závažnosti triboelektrického jevu mohou být různé stupně zahřívání těles v procesu jejich vzájemného tření, neboť tato skutečnost způsobuje vytěsňování nosičů z lokálních nehomogenit více zahřívané látky — „pravda“ triboelektřina. Kromě toho může mechanické odstranění jednotlivých povrchových prvků piezoelektrik nebo pyroelektrik vést k triboelektrickému jevu.

Při aplikaci na kapaliny souvisí projev triboelektrického jevu se vznikem elektrických dvojvrstev na rozhraní mezi dvěma kapalnými médii nebo na rozhraní mezi kapalinou a pevnou látkou.Při tření kapalin o kovy (při proudění nebo nárazovém rozstřiku), triboelektřina vzniká v důsledku oddělení nábojů na rozhraní mezi kovem a kapalinou.

Elektrifikace třením dvou kapalných dielektrik je způsobena přítomností elektrických dvojitých vrstev na rozhraní mezi kapalinami, jejichž dielektrické konstanty jsou různé. Jak bylo uvedeno výše (podle Cohenova pravidla), kapalina s nižší dielektrickou konstantou je nabitá záporně a kapalina s vyšší je nabitá kladně.

Triboelektrický efekt při rozstřikování kapalin v důsledku dopadu na povrch pevného dielektrika nebo na povrch kapaliny je způsoben destrukcí elektrických dvojvrstev na rozhraní kapaliny a plynu (k elektrifikaci ve vodopádech dochází právě tímto mechanismem) .

I když triboelektřina vede v některých situacích k nežádoucí akumulaci elektrických nábojů v dielektrikách, např. na syntetické tkanině, triboelektrický jev se dnes přesto využívá při studiu energetického spektra elektronových pastí v pevných látkách, stejně jako v mineralogii ke studiu luminiscenčních center. , minerály, určování podmínek pro vznik hornin a jejich stáří.

Triboelektrické nanogenerátory TENG

Na první pohled se triboelektrický efekt jeví jako energeticky slabý a neefektivní kvůli nízké a nestabilní hustotě elektrického náboje, který se tohoto procesu účastní. Skupina vědců z Georgia Tech však našla způsob, jak zlepšit energetické charakteristiky efektu.

Metodou je buzení systému nanogenerátorů ve směru nejvyššího a nejstabilnějšího výstupního výkonu, jak se to obvykle dělá s ohledem na tradiční indukční generátory s magnetickým buzením.

Ve spojení s dobře navrženými výslednými schématy násobení napětí je systém s externím samonabíjecím buzením schopen vykazovat hustoty náboje přesahující 1,25 mC na metr čtvereční. Připomeňme, že výsledný elektrický výkon je úměrný druhé mocnině dané veličiny.

Rozvoj vědců otevírá reálnou perspektivu pro vznik v blízké budoucnosti praktických a vysoce výkonných triboelektrických nanogenerátorů (TENG, TENG) pro nabíjení přenosné elektroniky energií získanou především z každodenních mechanických pohybů lidského těla.

Nanogenerátory slibují nízkou hmotnost, nízkou cenu a také vám umožní vybrat si pro jejich tvorbu takové materiály, které budou nejefektivněji generovat na nízkých frekvencích v řádu 1-4 Hz.

Obvod s externím čerpáním náboje (obdoba indukčního generátoru s externím buzením) je považován za perspektivnější v okamžiku, kdy je část generované energie využita k podpoře procesu výroby a zvýšení hustoty pracovního náboje.

Jak navrhli vývojáři, oddělení kondenzátorů generátoru a externího kondenzátoru umožní buzení generování prostřednictvím externích elektrod bez přímého ovlivnění triboelektrické vrstvy.

Vybuzený náboj je přiváděn na elektrodu hlavního nanogenerátoru TENG (TENG), zatímco systém buzení náboje a hlavní výstupní zátěž TENG pracují jako nezávislé systémy.

Při racionálním návrhu modulu buzení náboje může být nahromaděný náboj v něm doplňován zpětnou vazbou ze samotného TENG během procesu vybíjení. Tímto způsobem je dosaženo samobuzení TENG.

V průběhu výzkumu vědci studovali vliv různých vnějších faktorů na účinnost výroby, jako jsou: typ a tloušťka dielektrika, materiál elektrod, frekvence, vlhkost atd. triboelektrická vrstva TENG obsahuje polyimidový dielektrický kaptonový film o tloušťce 5 mikronů a elektrody jsou vyrobeny z mědi a hliníku.

Současným úspěchem je, že po 50 sekundách provozu na frekvenci pouze 1 Hz je náboj vybuzen poměrně efektivně, což dává naději na vytvoření v blízké budoucnosti stabilních nanogenerátorů pro široké aplikace.

Ve struktuře TENG s buzením externím nábojem je oddělení kapacit hlavního generátoru a výstupního zatěžovacího kondenzátoru dosaženo oddělením tří kontaktů a použitím izolačních fólií s různými dielektrickými charakteristikami pro dosažení relativně velké změny kapacit.

Nejprve je náboj ze zdroje napětí přiveden do hlavního TENG, na jehož kapacitě se napětí hromadí, když je zařízení v kontaktním stavu maximální kapacity. Jakmile se obě elektrody oddělí, napětí se v důsledku poklesu kapacity zvýší a náboj proudí ze základního kondenzátoru do akumulačního kondenzátoru, dokud není dosaženo rovnovážného stavu.

V dalším stavu kontaktu se náboj vrací do hlavního TENG a přispívá ke vzniku energie, která bude tím větší, čím vyšší bude dielektrická konstanta fólie v hlavním kondenzátoru. Dosažení návrhové úrovně napětí se provádí pomocí diodového násobiče.