Трибоэлектрический эффект и наногенераторы TENG
Трибоэлектрическим эффектом называют явление возникновения электрических зарядов у некоторых материалов при их трении друг о друга. Данный эффект по своей сути является проявлением контактной электризации, которая известна человечеству со времен античности.
Еще Фалес Милетский наблюдал это явление в экспериментах с янтарной палочкой, натираемой шерстью. Кстати, само слово «электричество» берет свое начало именно оттуда, ведь в переводе с греческого языка слово «электрон» обозначает янтарь.
Материалы, которые способны проявлять трибоэлектрический эффект, можно расположить в так называемый трибоэлектрический ряд: стекло, плексиглас, нейлон, шерсть, шелк, целлюлоза, хлопок, янтарь, полиуретан, полистирол, тефлон, каучук, полиэтилен и т. д.
В начале ряда находятся условно «положительные» материалы, в конце — условно «отрицательные». Если взять два материала из этого ряда, и потереть их друг о друга, то тот материал который находится ближе к «положительной» стороне, зарядится положительно, а другой — отрицательно. Впервые трибоэлектрический ряд в 1757 году составил шведский физик Иоганн Карл Вильке.
С физической точки зрения, положительно зарядится тот из двух трущихся друг о друга материалов, который отличается от другого большей диэлектрической проницаемостью. Эта эмпирическая закономерность называется правилом Коэна и относится главным образом к диэлектрикам.
При трении друг о друга пары химически одинаковых диэлектриков положительный заряд получит более плотный из них. У жидких диэлектриков положительно заряженным окажется вещество с большей диэлектрической проницаемостью или большим поверхностным натяжением. Металлы же при трении о поверхность диэлектрика могут электризоваться как положительно, так и отрицательно.
Степень электризации трущихся друг о друга тел тем значительнее, чем обширнее площади их поверхностей. Пыль, трущаяся о поверхность тела, от которого она отделилась (стекло, мрамор, снежная пыль и т.д), заряжается отрицательно. Когда порошок просеивают сквозь сито частички порошка также заряжаются.
Объяснить трибоэлектрический эффект у твердых тел можно следующим образом. Носители заряда перемещаются с одного тела на другое. У полупроводников и металлов трибоэлектрический эффект обусловлен перемещением электронов от материала с меньшей работой выхода — к материалу у которого работа выхода больше.
При трении диэлектрика о металл, трибоэлектрическая электризация возникает благодаря переходу электронов с металла к диэлектрику. При взаимном трении пары диэлектриков явление возникает из-за взаимного проникновения соответствующих ионов и электронов.
Значительный вклад в выраженность трибоэлектрического эффекта может внести различная степень разогревания тел в процессе их трения друг о друга, поскольку этот факт вызывает перемещение носителей с локальных неоднородностей более разогретого вещества — «истинное» трибоэлектричество. Кроме того к трибоэлектрическому эффекту может приводить механическое удаление отдельных элементов поверхности пьезоэлектриков или пироэлектриков.
Применительно к жидкостям проявление трибоэлектрического эффекта связано с возникновением двойных электрических слоев на поверхности раздела двух жидких сред или на границе жидкости и твердого тела. При трении жидкостей о металлы (при течении или разбрызгивании от удара), трибоэлектричество возникает за счет разделения зарядов на границе между металлом и жидкостью.
Электризация трением двух жидких диэлектриков имеет своей причиной наличие двойных электрических слоев на поверхности раздела жидкостей, диэлектрические проницаемости которых различны. Как было сказано выше (согласно правилу Коэна), жидкость с меньшей диэлектрической проницаемостью заряжается отрицательно а с большей — положительно.
Трибоэлектрический эффект при разбрызгивании жидкостей вследствие удара о поверхность твердого диэлектрика или о поверхность жидкости, обусловлен разрушением двойных электрических слоев на границе жидкости и газа (электризация в водопадах происходит именно по такому механизму).
Хотя трибоэлектричество и приводит в некоторых ситуациях к нежелательному накоплению электрических зарядов в диэлектриках, как например на синтетической ткани, тем не менее трибоэлектрический эффект применяется сегодня при исследовании энергетического спектра электронных ловушек в твердых телах, а также в минералогии для исследования центров люминесценции, минералов, определения условий образования пород и их возраста.
Трибоэлектрические наногенераторы TENG
Трибоэлектрический эффект кажется на первый взгляд энергетически слабым и неэффективным, в силу малой и нестабильной плотности электрического заряда участвующего в данном процессе. Однако группа ученых из Технологического университета штата Джорджия нашли путь улучшения энергетических характеристик эффекта.
Способ заключается в том, чтобы возбуждать наногенераторную систему в направлении наиболее высокой и стабильной выходной мощности, как это обычно осуществляется применительно к традиционным индукционным генераторам с магнитным возбуждением.
В совокупности с грамотно разработанными схемами умножения получаемого напряжения, система с внешним самозарядным возбуждением способна показать плотность заряда более чем в 1,25 мКл на квадратный метр. Напомним, что получаемая электрическая мощность пропорциональна квадрату данной величины.
Разработка ученых открывает реальную перспективу для создания в ближайшем будущем практичных и высокопроизводительных трибоэлектрических наногенераторов (TENG, ТЭНГ) для зарядки портативной электроники энергией, получаемой по сути от повседневных механических движений тела человека.
Наногенераторы обещают иметь малый вес, низкую стоимость, а также позволят выбирать для их создания те материалы, которые будут наиболее эффективно генерировать на низких частотах порядка 1-4 Гц.
Более перспективной на данный момент считается схема с внешней накачкой заряда (подобно индукционному генератору с внешним возбуждением), когда часть вырабатываемой энергии используется для поддержания процесса генерации и увеличения плотности рабочего заряда.
По замыслу разработчиков, разделение емкостей генератора и внешнего конденсатора позволит возбуждать генерацию через внешние электроды без непосредственного воздействия на трибоэлектрический слой.
Возбужденный заряд подается на электрод основного наногенератора TENG (ТЭНГ), при этом система возбуждения заряда и основной ТЭНГ с выходной нагрузкой работают как независимые системы.
При рациональной конструкции модуля возбуждения заряда, накопленный в нем заряд может быть пополнен по обратной связи от самого ТЭНГ во время процесса разрядки. Таким образом и достигается самовозбуждение ТЭНГ.
В ходе исследования ученые изучают влияние на эффективность генерации различных внешних факторов, таких как: тип и толщина диэлектрика, материал электродов, частота, влажность и т. д. На данном этапе трибоэлектрический слой ТЭНГ включает в себя полиимидную диэлектрическую пленку Каптон толщиной 5 мкм, а электроды делают из меди и алюминия.
Нынешнее достижение заключается в том, что уже через 50 секунд, работая на частоте всего 1 Гц, заряд возбуждается достаточно эффективно, что дает надежду на создание в ближайшем будущем стабильных наногенераторов для широких применений.
В структуре ТЭНГ с внешним возбуждением заряда разделение емкостей основного генератора и конденсатора выходной нагрузки достигается путем разделения трех контактов и применением пленок изолятора с разными диэлектрическими характеристиками, чтобы достичь относительно большого изменения емкостей.
Сначала заряд от источника напряжения подается на основной ТЭНГ, на емкости которого напряжение наращивается пока устройство находится в контактном состоянии с максимальной емкостью. Как только два электрода разделяются, напряжение возрастает за счет уменьшения емкости, и заряд перетекает от основного конденсатора — к накопительному, пока не будет достигнуто состояние равновесия.
При следующем контактном состоянии заряд возвращается к основному ТЭНГу и способствует генерации энергии, которой будет тем больше, чем выше диэлектрическая проницаемость пленки в основном конденсаторе. Достижение уровня проектного напряжения осуществляется при помощи диодного умножителя.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Трибоэлектричество
.jpg)
Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения (разделения материалов после плотного контакта). Еще в античности Фалес натирал янтарную палочку мотком шерсти и примагничивал к палочке опилки и стружки. Советские дети тёрли об голову надутый воздушный шарик, а потом приклеивали его к потолку. С появлением оргтехники, бытовой электроники, упаковочного пенопласта и бинбэгов (кресла-мешки) в ход пошли котики.
Так что мы знаем на данный момент про трибоэлектричество?
- Трибология — наука, раздел физики, занимающийся исследованием и описанием контактного взаимодействия твёрдых деформируемых тел при их относительном перемещении. Областью трибологических исследований являются процессы трения, изнашивания и смазки.
- Трибоэлектрический эффект очень непредсказуем, и можно сделать лишь широкие обобщения.
- Всеобъемлющая теория электризации пока не построена, но выявлено много эмпирических закономерностей.
Общая модель электронного облака и потенциальной ямы, предложенная Вангом для объяснения трибоэлектрификации и переноса и высвобождения заряда между двумя материалами, которые могут не иметь четко определенной структуры энергетических зон.
Трибоэлектричество
ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — возникновение электрич. зарядов при трении. При трении двух химически одинаковых тел положит. заряды получает более плотное из них. Металлы при трении о диэлектрик электризуются как положительно, так и отрицательно. При трении двух диэлектриков… … Физическая энциклопедия
трибоэлектричество — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN triboelectricity … Справочник технического переводчика
трибоэлектричество — возникновение электрических зарядов при трении двух разнородных тел. * * * ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСТВО ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, возникновение электрических зарядов при трении двух разнородных тел … Энциклопедический словарь
трибоэлектричество — (гр. tribo растираю) электрические заряды, возникающие на поверхности двух разнородных тел (напр., металла и дерева) при трении их друг о друга. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, , 2009. трибоэлектричество [ Словарь иностранных слов русского языка
трибоэлектричество — triboelektra statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektros krūviai, atsirandantys trinantis dviem kūnams. atitikmenys: angl. triboelectricity vok. Reibungselektrizität, f; Triboelektrizität, f rus. трибоэлектричество, n… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
трибоэлектричество — triboelektra statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros krūviai, atsirandantys trinantis dviem kūnams. atitikmenys: angl. triboelectricity rus. трибоэлектричество … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
трибоэлектричество — triboelektra statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. triboelectricity vok. Reibungselektrizität, f; Triboelektrizität, f rus. трибоэлектричество, n pranc. tribo électricité, f … Fizikos terminų žodynas
трибоэлектричество — трибоэлектричество, трибоэлектричества, трибоэлектричества, трибоэлектричеств, трибоэлектричеству, трибоэлектричествам, трибоэлектричество, трибоэлектричества, трибоэлектричеством, трибоэлектричествами, трибоэлектричестве, трибоэлектричествах… … Формы слов