Triboelectric effect at TENG nanogenerators

Ang triboelectric effect ay ang kababalaghan ng paglitaw ng mga electric charge sa ilang mga materyales kapag sila ay kuskusin laban sa isa't isa. Ang epektong ito ay likas na isang pagpapakita contact electrification, na kilala sa sangkatauhan mula pa noong sinaunang panahon.

Kahit na si Thales ng Miletsky ay naobserbahan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito sa mga eksperimento sa isang amber stick na pinahiran ng lana. Sa pamamagitan ng paraan, ang mismong salitang "kuryente" ay nagmula doon, dahil isinalin mula sa Griyego, ang salitang "electron" ay nangangahulugang amber.

Ang mga materyales na maaaring magpakita ng triboelectric na epekto ay maaaring isaayos sa tinatawag na triboelectric order: salamin, plexiglass, nylon, lana, sutla, selulusa, koton, amber, polyurethane, polystyrene, Teflon, goma, polyethylene, atbp.

Sa simula ng linya ay may kondisyon na "positibo" na mga materyales, sa dulo - may kondisyon na "negatibo". Kung kukuha ka ng dalawang materyales ng order na ito at kuskusin ang mga ito sa isa't isa, pagkatapos ay ang materyal na mas malapit sa "positibong" bahagi ay positibong sisingilin at ang isa ay negatibong sisingilin. Sa unang pagkakataon, isang triboelectric na serye ang naipon noong 1757 ng Swedish physicist na si Johann Carl Wilke.

Mula sa isang pisikal na pananaw, ang isa sa dalawang materyales na magkadikit sa isa't isa ay positibong sisingilin, na naiiba sa isa sa pamamagitan ng mas malaking dielectric na pare-pareho nito. Ang empirikal na modelong ito ay tinatawag na panuntunan ni Cohen at pangunahing nauugnay sa sa dielectrics.

Kapag ang isang pares ng chemically identical na dielectric ay kuskusin ang isa't isa, ang mas siksik ay magkakaroon ng positibong singil. Sa mga likidong dielectric, ang isang sangkap na may mas mataas na dielectric na pare-pareho o mas mataas na pag-igting sa ibabaw ay positibong sisingilin. Ang mga metal, sa kabilang banda, kapag ipinahid sa ibabaw ng isang dielectric, ay maaaring maging positibo at negatibong nakuryente.

Ang antas ng electrification ng mga katawan na naghahagis laban sa isa't isa ay mas makabuluhan, mas malaki ang lugar ng kanilang mga ibabaw. Ang alitan ng alikabok sa ibabaw ng katawan kung saan ito humiwalay (salamin, marmol, alikabok ng niyebe, atbp.) ay negatibong sisingilin. Kapag ang alikabok ay sinala sa isang salaan, ang mga particle ng alikabok ay sinisingil din.

Ang triboelectric effect sa solids ay maaaring ipaliwanag bilang mga sumusunod. Ang mga carrier ng singil ay lumilipat mula sa isang katawan patungo sa isa pa. Sa mga semiconductor at metal, ang triboelectric effect ay dahil sa paggalaw ng mga electron mula sa isang materyal na may mas mababang function ng trabaho patungo sa isang materyal na may mas mataas na function ng trabaho.

Kapag ang isang dielectric ay kuskusin laban sa isang metal, ang triboelectric electrification ay nangyayari dahil sa paglipat ng mga electron mula sa metal patungo sa dielectric. Kapag ang isang pares ng dielectrics ay kuskusin, ang kababalaghan ay nangyayari dahil sa mutual penetration ng mga kaukulang ions at electron.

Ang isang makabuluhang kontribusyon sa kalubhaan ng epekto ng triboelectric ay maaaring ang iba't ibang antas ng pag-init ng mga katawan sa proseso ng kanilang alitan laban sa isa't isa, dahil ang katotohanang ito ay nagiging sanhi ng pag-aalis ng mga carrier mula sa mga lokal na inhomogeneities ng isang mas pinainit na substansiya - "totoo" triboelectricity. Bilang karagdagan, ang mekanikal na pag-alis ng mga indibidwal na elemento sa ibabaw ng piezoelectrics o pyroelectrics ay maaaring humantong sa isang triboelectric na epekto.

Inilapat sa mga likido, ang pagpapakita ng triboelectric na epekto ay nauugnay sa paglitaw ng mga electric double layer sa interface sa pagitan ng dalawang likidong media o sa interface sa pagitan ng isang likido at isang solid. Kapag ang mga likido ay kuskusin laban sa mga metal (sa panahon ng daloy o impact splashes), Ang triboelectricity ay nangyayari dahil sa paghihiwalay ng mga singil sa interface sa pagitan ng metal at ng likido.

Ang electrification sa pamamagitan ng pagkuskos ng dalawang likidong dielectric ay sanhi ng pagkakaroon ng mga electric double layer sa interface sa pagitan ng mga likido na ang mga dielectric constant ay naiiba. Tulad ng nabanggit sa itaas (ayon sa panuntunan ni Cohen), ang isang likido na may mas mababang dielectric na pare-pareho ay negatibong sinisingil, at ang isang likido na may mas mataas ay positibong sinisingil.

Ang triboelectric effect kapag nag-splash ng mga likido dahil sa epekto sa ibabaw ng isang solidong dielectric o sa ibabaw ng isang likido ay sanhi ng pagkasira ng mga electric double layer sa hangganan sa pagitan ng likido at gas (ang electrification sa mga talon ay nangyayari nang eksakto sa pamamagitan ng mekanismong ito) .

Kahit na ang triboelectricity ay humahantong sa ilang mga sitwasyon sa hindi gustong akumulasyon ng mga singil sa kuryente sa mga dielectric, tulad ng sa sintetikong tela, gayunpaman ang triboelectric effect ay ginagamit ngayon sa pag-aaral ng spectrum ng enerhiya ng mga electron traps sa mga solido, gayundin sa mineralogy upang pag-aralan ang mga luminescent center. , mineral, pagtukoy sa mga kondisyon para sa pagbuo ng mga bato at ang kanilang edad.

TENG triboelectric nanogenerators

Sa unang sulyap, ang epekto ng triboelectric ay lumilitaw na masiglang mahina at hindi epektibo dahil sa mababa at hindi matatag na density ng electric charge na kasangkot sa prosesong ito. Gayunpaman, ang isang pangkat ng mga siyentipiko sa Georgia Tech ay nakahanap ng isang paraan upang mapabuti ang mga katangian ng enerhiya ng epekto.

Ang pamamaraan ay upang pukawin ang sistema ng nanogenerator sa direksyon ng pinakamataas at pinaka-matatag na kapangyarihan ng output, tulad ng karaniwang ginagawa tungkol sa mga tradisyonal na induction generator na may magnetic excitation.

Kasabay ng mahusay na disenyo na nagreresultang mga scheme ng pagpaparami ng boltahe, ang isang system na may panlabas na self-charge excitation ay may kakayahang magpakita ng mga density ng singil na higit sa 1.25 mC bawat metro kuwadrado. Alalahanin na ang nagresultang kapangyarihan ng kuryente ay proporsyonal sa parisukat ng ibinigay na dami.

Ang pag-unlad ng mga siyentipiko ay nagbubukas ng isang tunay na pag-asa para sa paglikha sa malapit na hinaharap ng mga praktikal at high-performance na triboelectric nanogenerators (TENG, TENG) para sa pag-charge ng mga portable electronics na may enerhiya na pangunahing nakuha mula sa pang-araw-araw na mekanikal na paggalaw ng katawan ng tao.

Nangangako ang mga nanogenerator na magkakaroon ng mababang timbang, mababang gastos, at magbibigay-daan din sa iyo na piliin para sa kanilang paglikha ang mga materyales na pinakaepektibong bubuo sa mababang frequency ng pagkakasunud-sunod na 1-4 Hz.

Ang isang circuit na may panlabas na charge pumping (katulad ng induction generator na may external excitation) ay itinuturing na mas promising sa sandaling ito, kapag ang bahagi ng nabuong enerhiya ay ginagamit upang suportahan ang proseso ng pagbuo at dagdagan ang working charge density.

Bilang conceived sa pamamagitan ng mga developer, ang paghihiwalay ng generator capacitors at ang panlabas na kapasitor ay magbibigay-daan sa kapana-panabik na henerasyon sa pamamagitan ng mga panlabas na electrodes nang hindi direktang nakakaapekto sa triboelectric layer.

Ang excited charge ay ibinibigay sa electrode ng pangunahing TENG nanogenerator (TENG), habang ang charge excitation system at ang main output load TENG ay gumagana bilang mga independent system.

Sa isang makatwirang disenyo ng module ng paggulo ng singil, ang naipon na singil dito ay maaaring mapunan ng feedback mula sa TENG mismo sa panahon ng proseso ng paglabas. Sa ganitong paraan, nakakamit ang self-excitation ng TENG.

Sa kurso ng pananaliksik, pinag-aralan ng mga siyentipiko ang epekto sa kahusayan ng henerasyon ng iba't ibang panlabas na mga kadahilanan, tulad ng: ang uri at kapal ng dielectric, ang materyal ng mga electrodes, ang dalas, ang kahalumigmigan, atbp. Sa yugtong ito, ang TENG triboelectric layer ay may kasamang polyimide dielectric kapton film na may kapal na 5 microns, at ang mga electrodes ay gawa sa tanso at aluminyo.

Ang kasalukuyang tagumpay ay na pagkatapos ng 50 segundo na tumatakbo sa dalas na 1 Hz lamang, ang singil ay nasasabik nang lubos, na nagbibigay ng pag-asa para sa paglikha sa malapit na hinaharap ng mga matatag na nanogenerator para sa malawak na mga aplikasyon.

Sa istraktura ng TENG na may panlabas na paggulo ng singil, ang paghihiwalay ng mga capacitance ng pangunahing generator at ang output load capacitor ay nakamit sa pamamagitan ng paghihiwalay ng tatlong mga contact at paggamit ng mga insulating film na may iba't ibang mga katangian ng dielectric upang makamit ang isang medyo malaking pagbabago sa capacitances.

Una, ang singil mula sa pinagmumulan ng boltahe ay ibinibigay sa pangunahing TENG, sa kapasidad kung saan nabubuo ang boltahe habang ang aparato ay nasa contact state ng maximum na kapasidad. Sa sandaling maghiwalay ang dalawang electrodes, tumataas ang boltahe dahil sa pagbaba ng kapasidad at umaagos ang singil mula sa base capacitor patungo sa storage capacitor hanggang sa maabot ang equilibrium state.

Sa susunod na estado ng pakikipag-ugnay, ang singil ay bumalik sa pangunahing TENG at nag-aambag sa pagbuo ng enerhiya, na kung saan ay magiging mas malaki kung mas mataas ang dielectric na pare-pareho ng pelikula sa pangunahing kapasitor. Ang pagkamit ng antas ng boltahe ng disenyo ay ginagawa gamit ang isang diode multiplier.