Triboelektrik etki ve TENG nanojeneratörler

Triboelektrik etki, bazı malzemelerde birbirlerine sürtündüklerinde elektrik yüklerinin ortaya çıkması olgusudur. Bu etki doğal olarak bir tezahürdür. temas elektrifikasyonu, eski çağlardan beri insanlık tarafından bilinmektedir.

Thales of Miletsky bile yüne sürtünen kehribar bir çubukla yapılan deneylerde bu fenomeni gözlemledi. Bu arada, "elektrik" kelimesi de oradan geliyor çünkü Yunancadan çevrilen "elektron" kelimesi kehribar anlamına geliyor.

Triboelektrik etki gösterebilen malzemeler sözde triboelektrik düzende düzenlenebilir: cam, pleksiglas, naylon, yün, ipek, selüloz, pamuk, kehribar, poliüretan, polistiren, teflon, lastik, polietilen vb.

Satırın başında koşullu olarak "olumlu" malzemeler var, sonunda - koşullu olarak "olumsuz". Bu düzende iki malzemeyi alıp birbirine sürttüğünüzde, "pozitif" tarafa daha yakın olan malzeme pozitif, diğeri ise negatif yüklü olacaktır. İlk kez, bir triboelektrik serisi 1757'de İsveçli fizikçi Johann Carl Wilke tarafından derlendi.

Fiziksel bir bakış açısından, birbirine sürtünen iki malzemeden biri pozitif yüklü olacaktır ve bu, diğerinden daha büyük dielektrik sabiti ile farklılık gösterir. Bu ampirik modele Cohen kuralı denir ve esas olarak dielektriklere.

Bir çift kimyasal olarak özdeş dielektrik birbirine sürtündüğünde, daha yoğun olan pozitif bir yük alacaktır. Sıvı dielektriklerde, dielektrik sabiti veya yüzey gerilimi daha yüksek olan bir madde pozitif olarak yüklenir. Öte yandan metaller, bir dielektrik yüzeyine sürtüldüklerinde hem pozitif hem de negatif elektriklenebilirler.

Birbirlerine sürtünen cisimlerin elektriklenme derecesi, yüzeylerinin alanı ne kadar büyükse o kadar önemlidir. Tozun ayrıldığı cisim yüzeyindeki sürtünmesi (cam, mermer, kar tozu vb.) negatif yüklüdür. Toz bir elekten geçirildiğinde, toz parçacıkları da yüklenir.

Katılardaki triboelektrik etki şu şekilde açıklanabilir. Yük taşıyıcıları bir vücuttan diğerine hareket eder. Yarı iletkenlerde ve metallerde, triboelektrik etki, elektronların daha düşük iş fonksiyonlu bir malzemeden daha yüksek iş fonksiyonlu bir malzemeye hareketinden kaynaklanır.

Bir dielektrik bir metale sürtündüğünde, elektronların metalden dielektrik maddeye geçişinden dolayı triboelektrik elektriklenme meydana gelir. Bir çift dielektrik birbirine sürtündüğünde, olay, karşılık gelen iyonların ve elektronların karşılıklı penetrasyonu nedeniyle oluşur.

Triboelektrik etkinin ciddiyetine önemli bir katkı, vücutların birbirlerine karşı sürtünme sürecinde farklı ısınma dereceleri olabilir, çünkü bu gerçek, taşıyıcıların yerel homojensizliklerden daha ısıtılmış bir maddenin - "doğru" yer değiştirmesine neden olur. triboelektriklik. Ek olarak, piezoelektriklerin veya piroelektriklerin tek tek yüzey elemanlarının mekanik olarak çıkarılması bir triboelektrik etkiye yol açabilir.

Sıvılara uygulandığında, triboelektrik etkinin tezahürü, iki sıvı ortam arasındaki arayüzde veya bir sıvı ile bir katı arasındaki arayüzde elektrikli çift katmanların görünümü ile ilgilidir.Sıvılar metallere sürtündüğünde (akış veya darbe sıçramaları sırasında), triboelektriklik, metal ve sıvı arasındaki arayüzde yüklerin ayrılması nedeniyle oluşur.

İki sıvı dielektrik sürtünerek elektriklenme, dielektrik sabitleri farklı olan sıvılar arasındaki arayüzde elektrikli çift tabakaların varlığından kaynaklanır. Yukarıda bahsedildiği gibi (Cohen kuralına göre), dielektrik sabiti daha düşük olan bir sıvı negatif, daha yüksek olan bir sıvı ise pozitif olarak yüklenir.

Katı bir dielektrik yüzeyine veya bir sıvının yüzeyine çarpma nedeniyle sıvıların sıçramasına neden olan triboelektrik etki, sıvı ve gaz arasındaki sınırdaki elektrikli çift katmanların tahrip olmasından kaynaklanır (şelalelerdeki elektriklenme tam olarak bu mekanizma ile gerçekleşir) .

Triboelektriklik bazı durumlarda sentetik kumaş gibi dielektriklerde elektrik yüklerinin istenmeyen birikimine yol açsa da, triboelektrik etki bugün katılardaki elektron tuzaklarının enerji spektrumunun incelenmesinde ve ayrıca mineralojide ışıldayan merkezleri incelemek için kullanılmaktadır. , mineraller, kayaların oluşum koşullarının ve yaşlarının belirlenmesi.

TENG triboelektrik nanojeneratörler

İlk bakışta, triboelektrik etki, bu süreçte yer alan elektrik yükünün düşük ve kararsız yoğunluğu nedeniyle enerjik olarak zayıf ve verimsiz görünüyor. Ancak Georgia Tech'teki bir grup bilim insanı, etkinin enerji özelliklerini iyileştirmenin bir yolunu buldu.

Yöntem, manyetik uyarımlı geleneksel endüksiyon jeneratörlerinde genellikle yapıldığı gibi, nanojeneratör sistemini en yüksek ve en kararlı çıkış gücü yönünde uyarmaktır.

İyi tasarlanmış sonuçta ortaya çıkan voltaj çoğaltma şemalarıyla bağlantılı olarak, harici kendi kendine şarj uyarımına sahip bir sistem, metrekare başına 1,25 mC'yi aşan şarj yoğunlukları sergileme yeteneğine sahiptir. Ortaya çıkan elektrik gücünün verilen miktarın karesiyle orantılı olduğunu hatırlayın.

Bilim adamlarının gelişimi, taşınabilir elektroniği esas olarak insan vücudunun günlük mekanik hareketlerinden elde edilen enerjiyle şarj etmek için yakın gelecekte pratik ve yüksek performanslı triboelektrik nanojeneratörlerin (TENG, TENG) yaratılması için gerçek bir olasılık sunuyor.

Nanojeneratörler düşük ağırlık, düşük maliyet vaat ediyor ve ayrıca 1-4 Hz mertebesindeki düşük frekanslarda en etkili şekilde üretecek malzemeleri yaratmaları için seçmenize izin verecek.

Üretilen enerjinin bir kısmı üretim sürecini desteklemek ve çalışma yükü yoğunluğunu artırmak için kullanıldığında, harici yük pompalamalı bir devre (harici uyarımlı bir endüksiyon jeneratörüne benzer) şu anda daha umut verici kabul edilir.

Geliştiriciler tarafından tasarlandığı gibi, jeneratör kapasitörlerinin ve harici kapasitörün ayrılması, triboelektrik katmanı doğrudan etkilemeden harici elektrotlar aracılığıyla heyecan verici üretime izin verecektir.

Uyarılmış yük, ana TENG nanojeneratörün (TENG) elektroduna beslenirken, yük uyarma sistemi ve ana çıkış yükü TENG bağımsız sistemler olarak çalışır.

Şarj uyarma modülünün rasyonel tasarımı ile, içinde biriken şarj, boşaltma işlemi sırasında TENG'nin kendisinden gelen geri bildirim ile doldurulabilir. Bu şekilde, TENG'nin kendi kendini uyarması sağlanır.

Araştırma sırasında bilim adamları, dielektrikin türü ve kalınlığı, elektrotların malzemesi, frekans, nem vb. Gibi çeşitli dış faktörlerin üretim verimliliği üzerindeki etkisini incelediler. Bu aşamada, TENG triboelektrik tabakası, 5 mikron kalınlığında bir poliimid dielektrik kapton film içerir ve elektrotlar bakır ve alüminyumdan yapılmıştır.

Mevcut başarı, yalnızca 1 Hz'lik bir frekansta 50 saniye çalıştıktan sonra, yükün oldukça verimli bir şekilde uyarılmasıdır, bu da yakın gelecekte geniş uygulamalar için kararlı nanojeneratörlerin yaratılması için umut vermektedir.

Harici yük uyarımlı TENG yapısında, ana jeneratörün ve çıkış yük kapasitörünün kapasitanslarının ayrılması, kapasitanslarda nispeten büyük bir değişiklik elde etmek için üç kontağın ayrılması ve farklı dielektrik özelliklere sahip yalıtkan filmler kullanılmasıyla sağlanır.

İlk olarak, voltaj kaynağından gelen şarj, cihaz maksimum kapasitansın temas durumundayken voltajın oluşturduğu kapasitans üzerinde ana TENG'ye beslenir. İki elektrot ayrılır ayrılmaz, kapasitanstaki azalma nedeniyle voltaj artar ve bir denge durumuna ulaşılana kadar baz kapasitörden depolama kapasitörüne yük akar.

Bir sonraki temas durumunda, yük ana TENG'ye geri döner ve ana kapasitördeki filmin dielektrik sabiti ne kadar yüksek olursa o kadar büyük olacak olan enerji üretimine katkıda bulunur. Tasarım voltaj seviyesine ulaşılması, bir diyot çarpanı kullanılarak yapılır.