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.

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.

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.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Трибоэлектричество – еще один источник энергии

Трибоэлектрический эффект – довольно интересное природное явление, заключающееся в том, что при трении двух материалов или веществ (например, с разной плотностью) между ними происходит разделение зарядов. Все мы, наверняка, прекрасно помним школьные опыты по физики, когда стеклянная палочка, натёртая мехом, отклоняет висящие полоски бумаги. Лёгкая морская зыбь обеспечивает энергией тысячи домов, танцоры вырабатывают электричество для всего ночного клуба, вдали от благ цивилизации туристы силой ног на ходу подзаряжают свои смартфоны.

Чистый и надёжный, свободный от геополитических рисков источник энергии уже сегодня находится в пределах досягаемости благодаря использованию трибоэлектрического эффекта. Исследователи из Технологического института Джорджии заявили, что они построили прототип простого устройства, преобразующего старт-стопное движение в энергию.

По их словам, волны, ходьба и танцы, даже ливень или клавиши компьютера в один прекрасный день могут быть использованы для управления датчиками, мобильными гаджетами и даже генераторами энергии.

Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang), профессор материаловедения и инженерии называет изобретение не иначе как прорывом. «Наша технология может быть использована для масштабного сбора энергии. Теперь энергия, которую мы теряли на протяжении веков, станет полезной», – полагает профессор.

Трибоэлектричество известно всем из школьных опытов. Оно вырабатывается при трении двух предметов, вызывающем перемещение и концентрацию электронов. В быту трибоэффект проявляется в статических зарядах. Любой из нас может вспомнить, как его «ударила током» кошка или «стукнула» автомобильная дверца.

Трудно предугадать, когда и как проявит себя трибоэлектричество. Поэтому до сих пор с ним предпочитали не связываться, используя в качестве источника электроэнергии более предсказуемые индукционные генераторы, вращаемые силой пара, воды или ветра.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, группа Вана показала, что учёным удалось преодолеть принципиальные препятствия для преобразования генерируемых случайно электрических зарядов в ток.

Прототип трибогенератора, назначение которого в демонстрации потенциальных возможностей сбора энергии, выглядит как диск диаметром около 10 сантиметров. Внутри находятся два вращающихся листа материала в форме круга, один донор электронов, другой их приёмник. При вращении между ними образуется электрический заряд, так как листы изолированы друг от друга. Третий диск с электродами расположен между двумя первыми. Он «снимает» заряд и обеспечивает небольшой электрический ток через полезную нагрузку.

Мощность устройства при максимальной скорости вращения 3000 оборотов в минуту составляет 1,5 Вт. Энергоэффективность прототипа составляет 24%, что сравнимо с показателями магнитно – индукционных турбин и в три раза выше эффективности пьезокристаллов, ранее считавшихся лучшими сборщиками механической энергии.

По словам Вана устройство может работать не только под напором ветра или воды из-под крана, но и от случайных прерывистых движений, обеспечивающих вращение, включая движения человека. «Пока есть механическое действие, есть энергия, которая может генерироваться», – утверждает профессор.

Небольшой экскурс в технологию

Но начнём с главного – с небольшого экскурса в физику и повторения материала предыдущей статьи. Итак, многие из нас сталкивались в повседневной жизни с таким явлением, как трибоэлектричество, то есть электричество (или более точно, разделение зарядов), возникающее при трении двух материалов или веществ (например, с разной плотностью). При этом такое разделение зарядов можно описать двумя основными характеристиками: собственно, величиной заряда (или тока) и разностью потенциалов. Конечно, эти характеристики зависят от многих параметров: влажности, температуры, природы используемых материалов и так далее.

Если у Вас есть дома синтетическое покрывало-плед, то в темноте, перебирая этот плед, можно увидеть искры, проскакивающие между телом или отдельными участками оного, а также почувствовать запах «грозы» или оксидов азота. Аналогичные примеры – опыты от канала «Простая Наука» Bredun:

Или вот ещё:

Обычно, на уроках по физике в школе этот эффект преподносится, как нечто бесполезное или даже вредное (например, для компьютерной техники, в авиации), однако, это не совсем так – давайте обратимся к примерам.

Hört ihr mich?

«Вы меня слышите?» — как пелось в одной песни немецкой группы Rammstein. Да, с уверенностью сказали авторы работы, предложившие использовать трибогенератор для самозапитывающегося микрофона, акустического определения положения тела и ещё для акустических весов.

Схема разработанного устройства представлена ниже. Стоит отметить, что она мало чем отличается от всем привычного нам микрофона, с той лишь разницей, что вместо электромагнитных эффектов, таких как изменение индукции или ёмкости конденсатора, измеряемой характеристикой является, как и случае с трибогенератором, ток.

Схема устройства самозапитывающегося микрофона и детектора акустических волн (PET – полиэтилентерефталат, PTFE – тефлон)

Конечно же, были определены и акустические характеристики. Естественно, что чем выше громкость (чем ближе источник звука к самому микрофону), тем лучше работает такой микрофон, однако не стоит забывать, что устройство не требует внешнего источника питания, сигнал потенциально может быть усилен приёмником.

Электрические и акустические характеристики полученного устройства: (a) напряжение разомкнутой цепи, (b) ток короткого замыкания, (с) зависимости этих характеристик от расстояния до активного элемента и (d) диаграмма направленности микрофона

Коль скоро, микрофон имеет такую диаграмму направленности, то грех на его основе не создать детектор положения источника звука, причём самозапитывающийся. Собственно, что и было проделано на основе корреляций сигнала между несколькими источниками:

Пример использования устройства для детектирования источника звука

И это ещё не всё, также подобного рода мембрана может быть использована для взвешивания предметов посредством звука, как продемонстрированно в данном видео. Учёным удалось добиться чувствительности 270 мВ/мг, взвешивая массы от 40 мг до 400 мг. В принципе, такие весы могут найти своё применение в ювелирной промышленности из-за крайне низкой цены и высокой чувствительности.

Видео о работе микрофона и детектора положения звука можно посмотреть на официальном сайте или Yandex-Disk.

Туда-сюда-обратно, тебе и мне – электричество.

(a, b) Схема трибоэлектрического генератора. (с-e) Полимерная плёнка (каптон) с медными контактами в собранном и разобранном состоянии

Выглядит данное устройство слегка кхм-кхм… эротично, но что поделать, наука требует жертв. Здесь электрический заряд накапливается при перемещении двух полимерных плёнок друг относительно друга, как показано на рисунке:

Принцип работы трибоэлектрического генератора (a), а также данные моделирования для данной системы (b-f).

Авторы также опубликовали пару видео (посмотреть можно с официального сайта издательства или с Yandex-Disk), как можно приводить в действие данный трибогенератор от движения волн или человека.

И хотя максимальная выходная мощность составляет всего 10-12 мВт (1.36 Вт/м 2 ) при токе около 300 мкА и при скорости движения 1 м/с для продемонстрированного устройства, потенциально это может быть использовано для навигационных маяков, а также, чем чёрт не шутит, в носимой «умной» одежде для подпитки встроенного кардиометра или трекера, например. Подробнее об этом поговорим в самом конце статьи.

Логическим продолжением данной работы явилась разработка двух моделей генератора электроэнергии с помощью волн и капель дождя.

В первом случае накатывающая волна приносит с собой некоторый заряд, который «поглощается» полимерной плёнкой фторированного полиэтиленпропилена (FEP), как представлено на рисунке:

Схема работы трибоэлектрического генератора на основе приливных волн

Во втором случае, использовалась более сложная двухконтурная система, которая позволяет конвертировать не только электростатическую электроэнергию от перекатывания капель, но и получать энергию от ударного взаимодействия капель с поверхностью.

Общая схема двухконтурного трибоэлектрического генератора: первый контур – наночастицы диоксида титана, обеспечивающие несмачиваемость поверхности и скатывание капель дождя, второй контур – наночастицы диоксида кремния, соприкасающиеся с тефлоновой плёнкой при ударе падающей капли

Капля, попадая на наклонную поверхность такого генератора, несёт с собой некоторый заряд (допустим положительный), а в процессе перекапывания по поверхности электризует полимерную плёнку (соответственно, отрицательно), а медный электрод лишь «собирает» этот избыточный отрицательный заряд. Второй же контур работает на принципе описанном несколько раз выше: наночастицы диоксида кремния при ударе соприкасаются с тефлоновой плёнкой, создавая разность потенциалов и электризуясь. Подробности работы двух контуров по отдельности в схематическом виде представлены ниже:

Видео, демонстрирующее работу устройства, можно посмотреть на официальном сайте издательства или c Yandex-Disk.

Навстречу носимым системам подзарядки

И последняя пара статей на сегодняшний день, о которых хотелось бы рассказать, посвящена фактически прототипу зарядки, который через пару лет может быть встроен в нашу повседневную одежду для элементов умной одежды.

Схема концепта для выработки трибоэлектричества за счёт сжатия и растяжения

Суть данной разработки заключается в том, что при сжатии или растяжении опять-таки возникает статическое или трибоэлектричество, которое может быть запасено при ходьбе или беге и направлено, например, на зарядку вашего смартфона, лежащего в кармане. В принципе, такие системы также могут быть использованы для выработки электроэнергии от падения капель или приливных волн, как было продемонстрировано выше. И хотя вырабатываемая мощность не так велика (

0.4 Вт/м 2 ), её вполне хватило на то, чтобы запитать массив LED в проведённых экспериментах (см. видео).

Также авторы опубликовали несколько видео, демонстрирующих работу устройства, которые можно посмотреть на официальном сайте издательства или с Yandex-Disk.

Однако максимальная мощность описанной выше платформы для выработки трибоэлектричества достигается при частоте сокращений более 100 Гц, что, согласитесь, более интересно для спортсменов, однако во второй работе учёные создали ткань на основе обычных хлопчатобумажных нитей, которая позволяет вырабатывать электричество за счёт сокращений мышц при ходьбе, например, или простого похлопывания.

Новая ткань, позволяющая вырабатывать электроэнергию: специальные волокна вплетаются в обычное хлопчатобумажное

В данном случае хлопчатобумажные волокна сначала покрываются углеродными нанотрубками, а затем часть из них дополнительно тефлоном. Далее пары таких волокон вплетаются в обычную ткань и могут работать, как генератор трибоэлектричества за счёт перемещения и трения волокон друг о друга.

Электрический принцип работы двух волокон для получения трибоэлектричества

Вновь стоит оговориться, что удельная мощность таких устройств не так велика, как хотелось бы, равно как и накапливаемый заряд – всего несколько нКл за полминуты, однако, этого хватает, чтобы оживить монохромный дисплей простым движением пальца (см. видео).

Или же, такого малого количества электроэнергии вполне может хватить для какого-нибудь сенсора, встроенного в одежду, например, термометра, для активации которого достаточно лишь похлопать по месту расположения трибогенератора.

Носимый самозапитывающийся термометр – ещё один шаг к носимой электронике

Видео с демонстрациями можно посмотреть на официальном сайте издательства или на Yandex-Disk.

Оказывается можно получать электричество даже от трения порывов ветра. Конечно, здесь полярность, количество заряда и разность потенциалов зависит от многих параметров: влажности, температуры, природы используемых материалов и так далее. Для кого-то это просто забавный эксперимент, а для кого-то – серьёзная наука, подкреплённая теорией, формулами и опытами.

Вооружившись этим знанием американским (Georgia Institute of Technology) и китайским (Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems) учёным было сконструировано небольшое устройство (2.5×2.5×22 см), позволяющее получать напряжение до 100 В при токе до 1.6 мкрА (микроА). Что в сумме даёт около 0.1 мВт мощности. По заверениям авторов работы этого количества электроэенергии вполне хватает, чтобы зажечь несколько светодиодов.

Идея разработки очень проста: между двумя металлическими пластинами закреплена тонкая полимерная плёнка из фторированного полиэтилен-пропилена, которая может свободно перемещаться между ними:

Созданное устройство на основе трибоэлектрического эффекта: a) схема устройства; b-d) фотографии генератора; характеристики одного (e) и четырёх генераторов (f), g-h) демонстрация работы на примере LED.

Как пишут сами авторы: «Используя сразу два эффекта – трибоэлектрический и электростатический – периодическое изменение расстояния между двумя алюминиевыми пластинами и полимерной плёнкой приводит к транспорту зарядов между алюминиевыми электродами и землёй, что, в свою очередь, даёт ток электронов во внешней цепи.

Схематическое изображение процесса выработки электричества с помощью трибоэлектрического наногенератора

Другим применением данного устройства, вполне вероятно, могут стать дистанционные датчики измерения скорости ветра для установки в труднодоступных районах (в горах или пустынях, например). При этом такие датчики сами будут обеспечивать себя электроэнергией: за счёт небольшой аккумуляторной батареи можно накопить достаточно энергии для считывания скорости ветра и сохранения и/или передачи данных.

Одно из потенциальных применений: портативные, дешёвые и автономные станции измерения скорости ветра

Видео работы устройства можно скачать тут.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Источник