Triboelektromos hatás és TENG nanogenerátorok
A triboelektromos hatás az a jelenség, amikor egyes anyagokban elektromos töltések jelennek meg, amikor azok egymáshoz dörzsölődnek. Ez a hatás eredendően megnyilvánulás érintkező villamosítás, amelyet ősidők óta ismer az emberiség.
Még Miletsky Thalésze is megfigyelte ezt a jelenséget egy gyapjúval dörzsölt borostyánbottal végzett kísérletekben. Egyébként maga az "elektromosság" szó is onnan származik, mert görögül fordítva az "elektron" szó borostyánt jelent.
A triboelektromos hatást kifejtő anyagok az úgynevezett triboelektromos sorrendbe rendezhetők: üveg, plexi, nylon, gyapjú, selyem, cellulóz, pamut, borostyán, poliuretán, polisztirol, teflon, radír, polietilén stb.
A sor elején feltételesen "pozitív" anyagok vannak, a végén - feltételesen "negatív". Ha veszünk két ilyen rendű anyagot és egymáshoz dörzsöljük őket, akkor a „pozitív” oldalhoz közelebb eső anyag pozitív, a másik negatív töltésű lesz. Először 1757-ben állított össze triboelektromos sorozatot Johann Carl Wilke svéd fizikus.
Fizikai szempontból a két egymáshoz súrlódó anyag közül az egyik pozitív töltésű lesz, ami nagyobb dielektromos állandójával tér el a másiktól. Ezt az empirikus modellt Cohen-szabálynak nevezik, és főként a a dielektrikumokhoz.
Ha egy pár kémiailag azonos dielektrikum súrlódik egymáshoz, a sűrűbbik pozitív töltést kap. Folyékony dielektrikumokban a nagyobb dielektromos állandóval vagy nagyobb felületi feszültséggel rendelkező anyagok pozitív töltésűek. A fémek viszont, ha egy dielektrikum felületéhez dörzsölődnek, pozitívan és negatívan is villamosodhatnak.
Az egymáshoz súrlódó testek villamosítási foka annál jelentősebb, minél nagyobb a felületük. A por súrlódása a test azon felületén, amelyről levált (üveg, márvány, hópor stb.) negatív töltésű. Amikor a port szitán átszitáljuk, a porszemcsék is feltöltődnek.
A triboelektromos hatás szilárd anyagokban a következőképpen magyarázható. A töltéshordozók egyik testről a másikra mozognak. A félvezetőkben és fémekben a triboelektromos hatás az elektronok kisebb munkafunkciójú anyagból a magasabb munkafunkciójú anyag felé történő mozgásából adódik.
Amikor egy dielektrikum egy fémhez dörzsölődik, a triboelektromos elektromosság az elektronok fémből a dielektrikumba való átmenete miatt következik be. Amikor egy pár dielektrikum összedörzsölődik, a jelenség a megfelelő ionok és elektronok kölcsönös behatolása miatt következik be.
A triboelektromos hatás súlyosságához jelentősen hozzájárulhat a testek különböző fokú hevülése az egymással szembeni súrlódási folyamat során, mivel ez a tény a hordozók elmozdulását okozza egy melegebb anyag helyi inhomogenitásaiból - "igaz". tribovillamosság. Ezenkívül a piezoelektromos vagy piroelektromos elemek egyes felületi elemeinek mechanikus eltávolítása triboelektromos hatáshoz vezethet.
Folyadékokra vonatkoztatva a triboelektromos hatás megnyilvánulása az elektromos kettős rétegek megjelenésével függ össze a két folyékony közeg határfelületén vagy a folyadék és szilárd anyag határfelületén. Amikor a folyadékok fémekhez dörzsölődnek (áramlás vagy ütési fröccsenés során), A triboelektromosság a fém és a folyadék határfelületén a töltések szétválása miatt következik be.
A két folyékony dielektrikum dörzsölésével történő villamosítást az elektromos kettős rétegek jelenléte okozza a folyadékok határfelületén, amelyek dielektromos állandója eltérő. Ahogy fentebb említettük (Cohen szabálya szerint), az alacsonyabb dielektromos állandójú folyadék negatív töltésű, a magasabb pedig pozitív töltésű.
A szilárd dielektrikum felületére vagy folyadék felületére való becsapódás következtében a folyadékok fröccsenő triboelektromos hatását a folyadék és a gáz határán lévő elektromos kettős rétegek megsemmisülése okozza (a vízesésekben a villamosítás pontosan ezzel a mechanizmussal történik) .
Bár a triboelektromosság bizonyos helyzetekben elektromos töltések nem kívánt felhalmozódásához vezet a dielektrikumokban, például a szintetikus szöveteken, a triboelektromos hatást mindazonáltal manapság használják a szilárd anyagokban lévő elektroncsapdák energiaspektrumának tanulmányozására, valamint az ásványtanban a lumineszcens központok tanulmányozására. , ásványok, a kőzetek kialakulásának feltételeinek és korának meghatározása.
TENG triboelektromos nanogenerátorok
Első pillantásra a triboelektromos hatás energetikailag gyengének és nem hatékonynak tűnik a folyamatban részt vevő elektromos töltés alacsony és instabil sűrűsége miatt. A Georgia Tech tudósainak egy csoportja azonban megtalálta a módját a hatás energetikai jellemzőinek javítására.
A módszer az, hogy a nanogenerátor rendszert a legnagyobb és legstabilabb kimenő teljesítmény irányába gerjesztik, ahogy az általában a hagyományos mágneses gerjesztésű indukciós generátoroknál történik.
A jól megtervezett eredő feszültségsokszorozós sémákkal együtt egy külső öntöltéses gerjesztéssel rendelkező rendszer négyzetméterenként 1,25 mC-t meghaladó töltéssűrűséget képes felmutatni. Emlékezzünk vissza, hogy a kapott elektromos teljesítmény arányos az adott mennyiség négyzetével.
A tudósok fejlődése valódi távlatot nyit a közeljövőben praktikus és nagy teljesítményű triboelektromos nanogenerátorok (TENG, TENG) létrehozására, amelyek elsősorban az emberi test napi mechanikai mozgásaiból nyert energiával töltik fel a hordozható elektronikát.
A nanogenerátorok alacsony tömeggel és alacsony költséggel kecsegtetnek, és lehetővé teszik olyan anyagok kiválasztását is, amelyek a leghatékonyabban generálnak alacsony, 1-4 Hz-es nagyságrendű frekvencián.
A külső töltésszivattyúzású áramkör (hasonlóan a külső gerjesztésű indukciós generátorhoz) ígéretesebbnek tekinthető jelenleg, amikor a megtermelt energia egy része a generálási folyamat támogatására és a működő töltéssűrűség növelésére szolgál.
A fejlesztők elképzelése szerint a generátorkondenzátorok és a külső kondenzátor szétválasztása izgalmas generálást tesz lehetővé a külső elektródákon keresztül anélkül, hogy közvetlenül érintené a triboelektromos réteget.
A gerjesztett töltés a fő TENG nanogenerátor (TENG) elektródájára kerül, míg a töltésgerjesztő rendszer és a TENG fő kimeneti terhelés független rendszerként működik.
A töltésgerjesztő modul racionális kialakításával a benne felgyülemlett töltés a kisülési folyamat során magától a TENG-től érkező visszacsatolás révén pótolható. Ily módon a TENG öngerjesztése érhető el.
A kutatás során a tudósok különböző külső tényezők hatását vizsgálták a generálás hatékonyságára, mint például: a dielektrikum típusa és vastagsága, az elektródák anyaga, frekvencia, páratartalom stb. a TENG triboelektromos réteg 5 mikron vastagságú poliimid dielektromos kapton fóliát tartalmaz, az elektródák pedig rézből és alumíniumból készülnek.
A jelenlegi vívmány az, hogy 50 másodperces, mindössze 1 Hz-es működés után a töltést meglehetősen hatékonyan gerjesztik, ami reményt ad arra, hogy a közeljövőben stabil nanogenerátorok jöjjenek létre széleskörű alkalmazásokhoz.
A külső töltésgerjesztésű TENG szerkezetben a főgenerátor és a kimeneti terhelési kondenzátor kapacitásainak szétválasztása három érintkező elválasztásával és eltérő dielektromos jellemzőkkel rendelkező szigetelő fóliák alkalmazásával valósul meg a viszonylag nagy kapacitásváltozás elérése érdekében.
Először a feszültségforrás töltése a fő TENG-be kerül, amelynek kapacitásán a feszültség felhalmozódik, miközben a készülék maximális kapacitású érintkezési állapotban van. Amint a két elektróda elválik, a feszültség a kapacitás csökkenése miatt megnövekszik, és a töltés az alapkondenzátorból a tárolókondenzátorba áramlik az egyensúlyi állapot eléréséig.
A következő érintkezési állapotban a töltés visszatér a fő TENG-hez, és hozzájárul az energiatermeléshez, amely annál nagyobb lesz, minél nagyobb a fólia dielektromos állandója a főkondenzátorban. A tervezett feszültségszint elérése dióda szorzó segítségével történik.