Tribo-elektrisch effect en TENG-nanogeneratoren

Het tribo-elektrische effect is het fenomeen van het verschijnen van elektrische ladingen in sommige materialen wanneer ze tegen elkaar wrijven. Dit effect is inherent een manifestatie contact opnemen met elektrificatie, die al sinds de oudheid bij de mensheid bekend is.

Zelfs Thales van Miletsky nam dit fenomeen waar in experimenten met een met wol ingewreven amberkleurige stok. Trouwens, het woord "elektriciteit" komt daar vandaan, want vertaald uit het Grieks betekent het woord "elektron" amber.

Materialen die een tribo-elektrisch effect kunnen vertonen, kunnen gerangschikt worden in de zogenaamde tribo-elektrische volgorde: glas, plexiglas, nylon, wol, zijde, cellulose, katoen, amber, polyurethaan, polystyreen, teflon, rubber, polyethyleen, enz.

Aan het begin van de regel staan ​​​​voorwaardelijk "positieve" materialen, aan het einde - voorwaardelijk "negatief". Als je twee materialen van deze orde neemt en ze tegen elkaar wrijft, dan zal het materiaal dat zich het dichtst bij de "positieve" kant bevindt positief geladen zijn en het andere materiaal negatief geladen. Voor het eerst werd in 1757 een tribo-elektrische reeks samengesteld door de Zweedse natuurkundige Johann Carl Wilke.

Vanuit een fysiek oogpunt zal de ene van de twee materialen die tegen elkaar wrijven positief geladen zijn, die van de andere verschilt door zijn grotere diëlektrische constante. Dit empirische model wordt de regel van Cohen genoemd en wordt voornamelijk geassocieerd met naar diëlektrica.

Wanneer een paar chemisch identieke diëlektrica tegen elkaar wrijven, krijgt de dichtere een positieve lading. In vloeibare diëlektrica zal een stof met een hogere diëlektrische constante of hogere oppervlaktespanning positief geladen zijn. Metalen daarentegen kunnen, wanneer ze tegen het oppervlak van een diëlektricum worden gewreven, zowel positief als negatief geëlektrificeerd raken.

De mate van elektrificatie van lichamen die tegen elkaar wrijven, is belangrijker naarmate hun oppervlak groter is. De wrijving van stof op het oppervlak van het lichaam waarvan het is gescheiden (glas, marmer, sneeuwstof, enz.) Is negatief geladen. Wanneer het stof door een zeef wordt gezeefd, worden ook de stofdeeltjes geladen.

Het triboelektrische effect in vaste stoffen kan als volgt worden verklaard. Ladingsdragers verplaatsen zich van het ene lichaam naar het andere. In halfgeleiders en metalen is het triboelektrische effect het gevolg van de beweging van elektronen van een materiaal met een lagere uittreefunctie naar een materiaal met een hogere uittreefunctie.

Wanneer een diëlektricum tegen een metaal wrijft, treedt tribo-elektrische elektrificatie op als gevolg van de overgang van elektronen van het metaal naar het diëlektricum. Wanneer een paar diëlektrica tegen elkaar wrijven, treedt het fenomeen op vanwege de wederzijdse penetratie van de overeenkomstige ionen en elektronen.

Een belangrijke bijdrage aan de ernst van het tribo-elektrische effect kunnen de verschillende graden van verwarming van de lichamen zijn tijdens hun wrijving tegen elkaar, aangezien dit feit de verplaatsing van dragers veroorzaakt van lokale inhomogeniteiten van een meer verwarmde substantie - "waar" triboelektriciteit. Bovendien kan het mechanisch verwijderen van afzonderlijke oppervlakte-elementen van piëzo-elektriciteit of pyro-elektriciteit leiden tot een tribo-elektrisch effect.

Toegepast op vloeistoffen, is de manifestatie van het tribo-elektrische effect gerelateerd aan het verschijnen van elektrische dubbele lagen op het grensvlak tussen twee vloeibare media of op het grensvlak tussen een vloeistof en een vaste stof. Wanneer vloeistoffen tegen metalen wrijven (tijdens stroming of spatten), tribo-elektriciteit treedt op als gevolg van de scheiding van ladingen op het grensvlak tussen het metaal en de vloeistof.

Elektrificatie door twee vloeibare diëlektrica te wrijven wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van elektrische dubbele lagen op het grensvlak tussen vloeistoffen waarvan de diëlektrische constanten verschillend zijn. Zoals hierboven vermeld (volgens de regel van Cohen), is een vloeistof met een lagere diëlektrische constante negatief geladen en een vloeistof met een hogere positief geladen.

Het tribo-elektrische effect bij het spatten van vloeistoffen als gevolg van impact op het oppervlak van een vast diëlektricum of op het oppervlak van een vloeistof wordt veroorzaakt door de vernietiging van elektrische dubbele lagen op de grens tussen vloeistof en gas (de elektrificatie in watervallen vindt precies door dit mechanisme plaats) .

Hoewel tribo-elektriciteit in sommige situaties leidt tot ongewenste accumulatie van elektrische ladingen in diëlektrica, zoals op synthetisch weefsel, wordt het tribo-elektrische effect tegenwoordig niettemin gebruikt bij de studie van het energiespectrum van elektronenvallen in vaste stoffen, evenals in de mineralogie om luminescente centra te bestuderen. , mineralen, het bepalen van de voorwaarden voor de vorming van rotsen en hun leeftijd.

TENG triboelektrische nanogeneratoren

Op het eerste gezicht lijkt het triboelektrische effect energetisch zwak en inefficiënt vanwege de lage en onstabiele dichtheid van elektrische lading die bij dit proces betrokken is. Een groep wetenschappers van Georgia Tech heeft echter een manier gevonden om de energiekenmerken van het effect te verbeteren.

De methode is om het nanogeneratorsysteem te exciteren in de richting van het hoogste en meest stabiele uitgangsvermogen, zoals gewoonlijk wordt gedaan met betrekking tot traditionele inductiegeneratoren met magnetische excitatie.

In combinatie met goed ontworpen resulterende spanningsvermenigvuldigingsschema's, kan een systeem met externe zelfladingsexcitatie ladingsdichtheden vertonen van meer dan 1,25 mC per vierkante meter. Bedenk dat het resulterende elektrische vermogen evenredig is met het kwadraat van de gegeven grootheid.

De ontwikkeling van wetenschappers opent een reëel vooruitzicht voor de creatie in de nabije toekomst van praktische en krachtige tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG, TENG) voor het opladen van draagbare elektronica met energie die voornamelijk wordt verkregen uit de dagelijkse mechanische bewegingen van het menselijk lichaam.

Nanogeneratoren beloven een laag gewicht en lage kosten te hebben en stellen u ook in staat om voor hun creatie die materialen te kiezen die het meest effectief zullen genereren bij lage frequenties in de orde van 1-4 Hz.

Een circuit met externe ladingspomping (vergelijkbaar met een inductiegenerator met externe excitatie) wordt op dit moment als veelbelovender beschouwd, wanneer een deel van de opgewekte energie wordt gebruikt om het generatieproces te ondersteunen en de werkende ladingsdichtheid te verhogen.

Zoals bedacht door de ontwikkelaars, zal de scheiding van de generatorcondensatoren en de externe condensator een opwindende opwekking mogelijk maken via de externe elektroden zonder de tribo-elektrische laag rechtstreeks te beïnvloeden.

De geëxciteerde lading wordt geleverd aan de elektrode van de belangrijkste TENG-nanogenerator (TENG), terwijl het ladingsexcitatiesysteem en de hoofduitgangsbelasting TENG als onafhankelijke systemen werken.

Met een rationeel ontwerp van de ladingsexcitatiemodule kan de geaccumuleerde lading erin worden aangevuld door feedback van de TENG zelf tijdens het ontladingsproces. Op deze manier wordt zelfexcitatie van de TENG bereikt.

In de loop van het onderzoek bestudeerden de wetenschappers het effect op de generatie-efficiëntie van verschillende externe factoren, zoals: het type en de dikte van het diëlektricum, het materiaal van de elektroden, de frequentie, de vochtigheid, enz. In dit stadium, de tribo-elektrische TENG-laag bevat een polyimide diëlektrische kaptonfilm met een dikte van 5 micron en de elektroden zijn gemaakt van koper en aluminium.

De huidige prestatie is dat na 50 seconden werken met een frequentie van slechts 1 Hz, de lading vrij efficiënt wordt opgewekt, wat hoop geeft op de creatie in de nabije toekomst van stabiele nanogeneratoren voor brede toepassingen.

In de TENG-structuur met excitatie van externe lading wordt de scheiding van de capaciteiten van de hoofdgenerator en de uitgangsbelastingscondensator bereikt door drie contacten te scheiden en isolerende films met verschillende diëlektrische kenmerken te gebruiken om een ​​relatief grote capaciteitsverandering te bereiken.

Eerst wordt de lading van de spanningsbron geleverd aan de hoofd TENG, op de capaciteit waarvan de spanning wordt opgebouwd terwijl het apparaat zich in de contacttoestand van maximale capaciteit bevindt. Zodra de twee elektroden scheiden, neemt de spanning toe als gevolg van een afname van de capaciteit en stroomt er lading van de basiscondensator naar de opslagcondensator totdat een evenwichtstoestand is bereikt.

In de volgende contacttoestand keert de lading terug naar de hoofd-TENG en draagt ​​bij aan de opwekking van energie, die groter zal zijn naarmate de diëlektrische constante van de film in de hoofdcondensator hoger is. Het bereiken van het ontwerpspanningsniveau wordt gedaan met behulp van een diodevermenigvuldiger.