Effetto triboelettrico e nanogeneratori TENG

L'effetto triboelettrico è il fenomeno della comparsa di cariche elettriche in alcuni materiali quando si sfregano l'uno contro l'altro. Questo effetto è intrinsecamente una manifestazione elettrificazione dei contatti, che è noto all'umanità fin dai tempi antichi.

Anche Talete di Miletsky ha osservato questo fenomeno in esperimenti con un bastoncino d'ambra strofinato con la lana. A proposito, la stessa parola "elettricità" ha origine da lì, perché tradotta dal greco, la parola "elettrone" significa ambra.

I materiali che possono esibire un effetto triboelettrico possono essere disposti nel cosiddetto ordine triboelettrico: vetro, plexiglass, nylon, lana, seta, cellulosa, cotone, ambra, poliuretano, polistirene, teflon, gomma, polietilene, ecc.

All'inizio della riga ci sono materiali condizionatamente "positivi", alla fine - condizionatamente "negativi". Se prendi due materiali di questo ordine e li strofini l'uno contro l'altro, allora il materiale più vicino al lato "positivo" sarà caricato positivamente e l'altro caricato negativamente. Per la prima volta, una serie triboelettrica fu compilata nel 1757 dal fisico svedese Johann Carl Wilke.

Da un punto di vista fisico sarà caricato positivamente quello dei due materiali che sfregano l'uno contro l'altro, che differisce dall'altro per la sua maggiore costante dielettrica. Questo modello empirico è chiamato regola di Cohen ed è principalmente associato a ai dielettrici.

Quando una coppia di dielettrici chimicamente identici sfrega l'uno contro l'altro, quello più denso acquisirà una carica positiva. Nei dielettrici liquidi, una sostanza con una costante dielettrica più alta o una tensione superficiale più alta sarà caricata positivamente. I metalli, d'altra parte, quando vengono strofinati contro la superficie di un dielettrico, possono diventare sia positivamente che negativamente elettrizzati.

Il grado di elettrificazione dei corpi che si sfregano l'uno contro l'altro è tanto più significativo quanto maggiore è l'area delle loro superfici. L'attrito della polvere sulla superficie del corpo da cui si è separata (vetro, marmo, polvere di neve, ecc.) è caricata negativamente. Quando la polvere viene setacciata attraverso un setaccio, anche le particelle di polvere vengono caricate.

L'effetto triboelettrico nei solidi può essere spiegato come segue. I portatori di carica si spostano da un corpo all'altro. Nei semiconduttori e nei metalli, l'effetto triboelettrico è dovuto al movimento di elettroni da un materiale con una funzione di lavoro inferiore a un materiale con una funzione di lavoro superiore.

Quando un dielettrico sfrega contro un metallo, si verifica l'elettrificazione triboelettrica dovuta alla transizione degli elettroni dal metallo al dielettrico. Quando una coppia di dielettrici sfrega tra loro, il fenomeno si verifica a causa della reciproca penetrazione dei corrispondenti ioni ed elettroni.

Un contributo significativo alla gravità dell'effetto triboelettrico possono essere i diversi gradi di riscaldamento dei corpi nel processo del loro attrito l'uno contro l'altro, poiché questo fatto provoca lo spostamento dei portatori dalle disomogeneità locali di una sostanza più riscaldata - "vero" triboelettricità. Inoltre, la rimozione meccanica di singoli elementi superficiali di piezoelettrici o piroelettrici può portare a un effetto triboelettrico.

Applicato ai liquidi, la manifestazione dell'effetto triboelettrico è correlata alla comparsa di doppi strati elettrici all'interfaccia tra due mezzi liquidi o all'interfaccia tra un liquido e un solido.Quando i liquidi sfregano contro i metalli (durante il flusso o gli schizzi d'urto), la triboelettricità si verifica a causa della separazione delle cariche all'interfaccia tra il metallo e il liquido.

L'elettrificazione per sfregamento di due dielettrici liquidi è causata dalla presenza di doppi strati elettrici all'interfaccia tra liquidi le cui costanti dielettriche sono diverse. Come accennato in precedenza (secondo la regola di Cohen), un liquido con una costante dielettrica inferiore è caricata negativamente e un liquido con una più alta è caricata positivamente.

L'effetto triboelettrico quando si spruzzano liquidi per impatto sulla superficie di un dielettrico solido o sulla superficie di un liquido è causato dalla distruzione dei doppi strati elettrici al confine tra liquido e gas (l'elettrificazione nelle cascate avviene proprio per questo meccanismo) .

Sebbene la triboelettricità porti in alcune situazioni all'accumulo indesiderato di cariche elettriche nei dielettrici, come nel tessuto sintetico, l'effetto triboelettrico è comunque utilizzato oggi nello studio dello spettro energetico delle trappole di elettroni nei solidi, così come in mineralogia per studiare i centri luminescenti , minerali, determinando le condizioni per la formazione delle rocce e la loro età.

Nanogeneratori triboelettrici TENG

A prima vista, l'effetto triboelettrico sembra essere energeticamente debole e inefficiente a causa della bassa e instabile densità di carica elettrica coinvolta in questo processo. Tuttavia, un gruppo di scienziati della Georgia Tech ha trovato un modo per migliorare le caratteristiche energetiche dell'effetto.

Il metodo consiste nell'eccitare il sistema del nanogeneratore nella direzione della potenza di uscita più alta e più stabile, come si fa solitamente rispetto ai tradizionali generatori a induzione con eccitazione magnetica.

Insieme a schemi di moltiplicazione della tensione risultanti ben progettati, un sistema con eccitazione di autocarica esterna è in grado di esibire densità di carica superiori a 1,25 mC per metro quadrato. Ricordiamo che la potenza elettrica risultante è proporzionale al quadrato della quantità data.

Lo sviluppo degli scienziati apre una prospettiva reale per la creazione nel prossimo futuro di nanogeneratori triboelettrici pratici e ad alte prestazioni (TENG, TENG) per caricare l'elettronica portatile con energia ottenuta principalmente dai movimenti meccanici quotidiani del corpo umano.

I nanogeneratori promettono di avere peso ridotto, basso costo e ti permetteranno anche di scegliere per la loro creazione quei materiali che genereranno in modo più efficace a basse frequenze dell'ordine di 1-4 Hz.

Un circuito con pompaggio di carica esterno (simile a un generatore di induzione con eccitazione esterna) è considerato più promettente al momento, quando parte dell'energia generata viene utilizzata per supportare il processo di generazione e aumentare la densità di carica di lavoro.

Come concepito dagli sviluppatori, la separazione dei condensatori del generatore e del condensatore esterno consentirà una generazione eccitante attraverso gli elettrodi esterni senza influenzare direttamente lo strato triboelettrico.

La carica eccitata viene fornita all'elettrodo del nanogeneratore TENG principale (TENG), mentre il sistema di eccitazione della carica e il carico di uscita principale TENG funzionano come sistemi indipendenti.

Con una progettazione razionale del modulo di eccitazione della carica, la carica accumulata in esso può essere reintegrata dal feedback del TENG stesso durante il processo di scarica. In questo modo si ottiene l'autoeccitazione del TENG.

Nel corso della ricerca, gli scienziati hanno studiato l'effetto sull'efficienza di generazione di vari fattori esterni, quali: il tipo e lo spessore del dielettrico, il materiale degli elettrodi, la frequenza, l'umidità, ecc. In questa fase, lo strato triboelettrico TENG include un film di kapton dielettrico in poliimmide con uno spessore di 5 micron e gli elettrodi sono realizzati in rame e alluminio.

Il risultato attuale è che dopo 50 secondi di funzionamento a una frequenza di solo 1 Hz, la carica viene eccitata in modo abbastanza efficiente, il che fa sperare nella creazione nel prossimo futuro di nanogeneratori stabili per ampie applicazioni.

Nella struttura TENG con eccitazione di carica esterna, la separazione delle capacità del generatore principale e del condensatore di carico di uscita si ottiene separando tre contatti e utilizzando pellicole isolanti con caratteristiche dielettriche diverse per ottenere una variazione relativamente ampia delle capacità.

Innanzitutto, la carica dalla sorgente di tensione viene fornita al TENG principale, sulla cui capacità si accumula la tensione mentre il dispositivo si trova nello stato di contatto della massima capacità. Non appena i due elettrodi si separano, la tensione aumenta a causa di una diminuzione della capacità e la carica fluisce dal condensatore di base al condensatore di accumulo fino al raggiungimento di uno stato di equilibrio.

Nel successivo stato di contatto, la carica ritorna al TENG principale e contribuisce alla generazione di energia, che sarà tanto maggiore quanto maggiore è la costante dielettrica del film nel condensatore principale. Il raggiungimento del livello di tensione di progetto viene effettuato utilizzando un moltiplicatore a diodi.