Triboelektrischer Effekt und TENG-Nanogeneratoren

Der triboelektrische Effekt ist das Phänomen der Entstehung elektrischer Ladungen in einigen Materialien, wenn diese aneinander reiben. Dieser Effekt ist von Natur aus eine Manifestation Kontakt Elektrifizierung, das der Menschheit seit der Antike bekannt ist.

Sogar Thales von Miletsky beobachtete dieses Phänomen bei Experimenten mit einem mit Wolle eingeriebenen Bernsteinstab. Von dort stammt übrigens auch das Wort „Elektrizität“, denn aus dem Griechischen übersetzt bedeutet das Wort „Elektron“ Bernstein.

Materialien, die einen triboelektrischen Effekt zeigen können, können in der sogenannten triboelektrischen Ordnung angeordnet werden: Glas, Plexiglas, Nylon, Wolle, Seide, Zellulose, Baumwolle, Bernstein, Polyurethan, Polystyrol, Teflon, Gummi, Polyethylen usw.

Am Anfang der Zeile stehen bedingt „positive“ Materialien, am Ende bedingt „negative“. Wenn Sie zwei Materialien dieser Ordnung nehmen und aneinander reiben, wird das Material, das näher an der „positiven“ Seite liegt, positiv und das andere negativ geladen. Erstmals wurde 1757 vom schwedischen Physiker Johann Carl Wilke eine triboelektrische Reihe zusammengestellt.

Aus physikalischer Sicht wird das eine der beiden aneinander reibenden Materialien positiv geladen, das sich vom anderen durch seine größere Dielektrizitätskonstante unterscheidet. Dieses empirische Modell wird als Cohen-Regel bezeichnet und wird hauptsächlich damit in Verbindung gebracht zu Dielektrika.

Wenn ein Paar chemisch identischer Dielektrika aneinander reibt, erhält das dichtere Dielektrikum eine positive Ladung. In flüssigen Dielektrika ist ein Stoff mit einer höheren Dielektrizitätskonstante oder einer höheren Oberflächenspannung positiv geladen. Metalle hingegen können beim Reiben an der Oberfläche eines Dielektrikums sowohl positiv als auch negativ elektrisiert werden.

Der Grad der Elektrifizierung aneinander reibender Körper ist umso bedeutender, je größer die Fläche ihrer Oberflächen ist. Durch die Reibung von Staub auf der Oberfläche des Körpers, von dem er sich ablöste (Glas, Marmor, Schneestaub usw.), wird er negativ geladen. Wenn der Staub durch ein Sieb gesiebt wird, werden auch die Staubpartikel aufgeladen.

Der triboelektrische Effekt in Festkörpern lässt sich wie folgt erklären. Ladungsträger bewegen sich von einem Körper zum anderen. In Halbleitern und Metallen beruht der triboelektrische Effekt auf der Bewegung von Elektronen von einem Material mit einer niedrigeren Austrittsarbeit zu einem Material mit einer höheren Austrittsarbeit.

Wenn ein Dielektrikum an einem Metall reibt, kommt es aufgrund des Übergangs von Elektronen vom Metall zum Dielektrikum zu einer triboelektrischen Elektrifizierung. Wenn ein Dielektrikumpaar aneinander reibt, entsteht das Phänomen aufgrund der gegenseitigen Durchdringung der entsprechenden Ionen und Elektronen.

Ein wesentlicher Beitrag zur Schwere des triboelektrischen Effekts kann die unterschiedliche Erwärmung der Körper während ihrer Reibung aneinander sein, da diese Tatsache dazu führt, dass Träger aus lokalen Inhomogenitäten einer stärker erhitzten Substanz verdrängt werden – „wahr“ Triboelektrizität. Darüber hinaus kann die mechanische Entfernung einzelner Oberflächenelemente von Piezoelektrika oder Pyroelektrika zu einem triboelektrischen Effekt führen.

Auf Flüssigkeiten angewendet hängt die Manifestation des triboelektrischen Effekts mit dem Auftreten elektrischer Doppelschichten an der Grenzfläche zwischen zwei flüssigen Medien oder an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff zusammen. Wenn Flüssigkeiten an Metallen reiben (bei Strömung oder Aufprallspritzern), Triboelektrizität entsteht durch die Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Metall und Flüssigkeit.

Die Elektrisierung durch Reiben zweier flüssiger Dielektrika wird durch das Vorhandensein elektrischer Doppelschichten an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten verursacht. Wie oben erwähnt (gemäß der Cohen-Regel) ist eine Flüssigkeit mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante negativ geladen, und eine Flüssigkeit mit einer höheren ist positiv geladen.

Der triboelektrische Effekt beim Verspritzen von Flüssigkeiten durch Aufprall auf die Oberfläche eines festen Dielektrikums oder auf die Oberfläche einer Flüssigkeit wird durch die Zerstörung elektrischer Doppelschichten an der Grenze zwischen Flüssigkeit und Gas verursacht (die Elektrifizierung in Wasserfällen erfolgt genau durch diesen Mechanismus). .

Obwohl Triboelektrizität in manchen Situationen zu einer unerwünschten Ansammlung elektrischer Ladungen in Dielektrika führt, beispielsweise auf synthetischen Stoffen, wird der triboelektrische Effekt heute dennoch zur Untersuchung des Energiespektrums von Elektronenfallen in Festkörpern sowie in der Mineralogie zur Untersuchung von Lumineszenzzentren genutzt , Mineralien, Bestimmung der Bedingungen für die Bildung von Gesteinen und ihres Alters.

TENG triboelektrische Nanogeneratoren

Auf den ersten Blick scheint der triboelektrische Effekt aufgrund der geringen und instabilen Dichte der elektrischen Ladung, die an diesem Prozess beteiligt ist, energetisch schwach und ineffizient zu sein. Eine Gruppe von Wissenschaftlern am Georgia Tech hat jedoch einen Weg gefunden, die Energieeigenschaften des Effekts zu verbessern.

Die Methode besteht darin, das Nanogeneratorsystem in Richtung der höchsten und stabilsten Ausgangsleistung anzuregen, wie dies normalerweise bei herkömmlichen Induktionsgeneratoren mit magnetischer Erregung der Fall ist.

In Verbindung mit gut konzipierten resultierenden Spannungsvervielfachungsschemata kann ein System mit externer Selbstladungsanregung Ladungsdichten von mehr als 1,25 mC pro Quadratmeter aufweisen. Denken Sie daran, dass die resultierende elektrische Leistung proportional zum Quadrat der gegebenen Größe ist.

Die Entwicklung von Wissenschaftlern eröffnet eine echte Perspektive für die Entwicklung praktischer und leistungsstarker triboelektrischer Nanogeneratoren (TENG, TENG) in naher Zukunft zum Laden tragbarer Elektronik mit Energie, die hauptsächlich aus den täglichen mechanischen Bewegungen des menschlichen Körpers gewonnen wird.

Nanogeneratoren versprechen ein geringes Gewicht und niedrige Kosten und ermöglichen Ihnen außerdem, für ihre Herstellung die Materialien auszuwählen, die bei niedrigen Frequenzen in der Größenordnung von 1 bis 4 Hz am effektivsten erzeugen.

Als vielversprechender gilt derzeit eine Schaltung mit externer Ladungspumpe (ähnlich einem Induktionsgenerator mit externer Erregung), bei der ein Teil der erzeugten Energie zur Unterstützung des Erzeugungsprozesses und zur Erhöhung der Arbeitsladungsdichte genutzt wird.

Wie von den Entwicklern konzipiert, ermöglicht die Trennung der Generatorkondensatoren und des externen Kondensators eine Anregungserzeugung durch die externen Elektroden, ohne die triboelektrische Schicht direkt zu beeinflussen.

Die angeregte Ladung wird der Elektrode des Haupt-TENG-Nanogenerators (TENG) zugeführt, während das Ladungsanregungssystem und die Hauptausgangslast TENG als unabhängige Systeme arbeiten.

Bei einer rationellen Gestaltung des Ladungsanregungsmoduls kann die darin angesammelte Ladung durch Rückmeldung vom TENG selbst während des Entladevorgangs wieder aufgefüllt werden. Auf diese Weise wird eine Selbsterregung des TENG erreicht.

Im Verlauf der Forschung untersuchten die Wissenschaftler die Auswirkungen verschiedener externer Faktoren auf die Erzeugungseffizienz, wie zum Beispiel: die Art und Dicke des Dielektrikums, das Material der Elektroden, die Frequenz, die Luftfeuchtigkeit usw. In diesem Stadium Die triboelektrische TENG-Schicht umfasst einen dielektrischen Kaptonfilm aus Polyimid mit einer Dicke von 5 Mikrometern, und die Elektroden bestehen aus Kupfer und Aluminium.

Die aktuelle Errungenschaft besteht darin, dass die Ladung nach 50 Sekunden Betrieb bei einer Frequenz von nur 1 Hz recht effizient angeregt wird, was Hoffnung auf die Schaffung stabiler Nanogeneratoren für breite Anwendungen in naher Zukunft gibt.

Bei der TENG-Struktur mit externer Ladungsanregung wird die Trennung der Kapazitäten des Hauptgenerators und des Ausgangslastkondensators durch die Trennung von drei Kontakten und die Verwendung von Isolierfolien mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften erreicht, um eine relativ große Kapazitätsänderung zu erreichen.

Zunächst wird die Ladung von der Spannungsquelle dem Haupt-TENG zugeführt, an dessen Kapazität sich die Spannung aufbaut, während sich das Gerät im Kontaktzustand maximaler Kapazität befindet. Sobald sich die beiden Elektroden trennen, steigt die Spannung aufgrund einer Kapazitätsabnahme an und Ladung fließt vom Basiskondensator zum Speicherkondensator, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Im nächsten Kontaktzustand kehrt die Ladung zum Haupt-TENG zurück und trägt zur Energieerzeugung bei, die umso größer ist, je höher die Dielektrizitätskonstante des Films im Hauptkondensator ist. Das Erreichen des Auslegungsspannungsniveaus erfolgt mithilfe eines Diodenvervielfachers.