Triboelectric effect และ TENG nanogenerators

ผลกระทบของไทรโบอิเล็กทริกคือปรากฏการณ์ของการปรากฏตัวของประจุไฟฟ้าในวัสดุบางชนิดเมื่อเกิดการเสียดสีกัน ผลกระทบนี้เป็นการสำแดงโดยเนื้อแท้ ติดต่อการไฟฟ้าซึ่งเป็นที่รู้จักของมนุษย์ตั้งแต่สมัยโบราณ

แม้แต่ทาเลสแห่งมิเล็ตสกีก็สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ในการทดลองโดยใช้แท่งอำพันถูด้วยขนสัตว์ อย่างไรก็ตาม คำว่า "ไฟฟ้า" มีต้นกำเนิดมาจากที่นั่น เพราะ แปลมาจากภาษากรีก คำว่า "อิเล็กตรอน" แปลว่าอำพัน

วัสดุที่สามารถแสดงผลแบบไทรโบอิเล็กตริกสามารถจัดเรียงตามลำดับที่เรียกว่าแบบไทรโบอิเล็กตริก: แก้ว ลูกแก้ว ไนลอน ขนสัตว์ ไหม เซลลูโลส ฝ้าย อำพัน โพลียูรีเทน โพลีสไตรีน เทฟลอน ยาง, โพลีเอทิลีน ฯลฯ

ที่จุดเริ่มต้นของบรรทัดมีวัสดุ "บวก" แบบมีเงื่อนไขในตอนท้าย - แบบมีเงื่อนไข "ลบ" หากคุณนำวัสดุสองชิ้นของคำสั่งนี้มาถูกันเอง วัสดุที่อยู่ใกล้ด้าน "บวก" จะมีประจุบวกและอีกอันมีประจุลบ เป็นครั้งแรกที่มีการรวบรวมชุดไทรโบอิเล็กตริกในปี 1757 โดย Johann Carl Wilke นักฟิสิกส์ชาวสวีเดน

จากมุมมองทางกายภาพ วัสดุหนึ่งในสองชิ้นที่เสียดสีกันจะมีประจุบวก ซึ่งแตกต่างจากวัสดุอื่นโดยค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่มากกว่า แบบจำลองเชิงประจักษ์นี้เรียกว่ากฎของโคเฮนและส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับ เพื่อไดอิเล็กทริก.

เมื่อไดอิเล็กตริกที่เหมือนกันทางเคมีคู่หนึ่งเสียดสีกัน ตัวที่หนาแน่นกว่าจะได้รับประจุบวก ในไดอิเล็กตริกเหลว สารที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงกว่าหรือความตึงผิวสูงกว่าจะมีประจุเป็นบวก ในทางกลับกัน โลหะ เมื่อถูกับพื้นผิวของไดอิเล็กตริก จะทำให้เกิดไฟฟ้าได้ทั้งทางบวกและทางลบ

ระดับของกระแสไฟฟ้าของร่างกายที่ถูกันมีความสำคัญมากขึ้นพื้นที่ของพื้นผิวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แรงเสียดทานของฝุ่นบนพื้นผิวของร่างกายที่แยกออกจากกัน (แก้ว หินอ่อน ฝุ่นหิมะ ฯลฯ) มีประจุเป็นลบ เมื่อฝุ่นถูกกรองผ่านตะแกรง อนุภาคฝุ่นจะถูกประจุด้วย

สามารถอธิบายผลกระทบของไทรโบอิเล็กตริกในของแข็งได้ดังนี้ ผู้ให้บริการชาร์จย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ในเซมิคอนดักเตอร์และโลหะ ผลของไทรโบอิเล็กตริกเกิดจากการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนจากวัสดุที่มีฟังก์ชันการทำงานต่ำกว่าไปยังวัสดุที่มีฟังก์ชันการทำงานสูงกว่า

เมื่อไดอิเล็กตริกถูกับโลหะ การเกิดไฟฟ้าแบบไทรโบอิเล็กตริกจะเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนอิเลคตรอนจากโลหะไปยังไดอิเล็กตริก เมื่อไดอิเล็กตริกคู่หนึ่งถูกัน ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากการแทรกซึมของไอออนและอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกัน

การมีส่วนร่วมอย่างมีนัยสำคัญต่อความรุนแรงของผลกระทบของไทรโบอิเล็กทริกอาจเป็นระดับความร้อนของร่างกายที่แตกต่างกันในกระบวนการเสียดสีซึ่งกันและกันเนื่องจากข้อเท็จจริงนี้ทำให้เกิดการกระจัดของพาหะจากความไม่สม่ำเสมอในท้องถิ่นของสารที่มีความร้อนมากกว่า - "จริง" ไทรโบอิเล็กทริก นอกจากนี้ การกำจัดเชิงกลขององค์ประกอบพื้นผิวแต่ละส่วนของเพียโซอิเล็กทริกหรือไพโรอิเล็กทริกสามารถนำไปสู่ผลกระทบของไทรโบอิเล็กทริกได้

เมื่อนำไปใช้กับของเหลว การปรากฏตัวของปรากฏการณ์ไทรโบอิเล็กทริกเกี่ยวข้องกับการปรากฏตัวของไฟฟ้าสองชั้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางที่เป็นของเหลว 2 ตัว หรือที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวกับของแข็ง เมื่อของเหลวถูกับโลหะ (ระหว่างการไหลหรือการกระเด็น) ไตรโบอิเล็กทริกเกิดจากการแยกประจุที่ส่วนต่อประสานระหว่างโลหะกับของเหลว

การเกิดไฟฟ้าโดยการถูไดอิเล็กตริกเหลว 2 ตัวเกิดจากการมีไฟฟ้าสองชั้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกัน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น (ตามกฎของโคเฮน) ของเหลวที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำกว่าจะมีประจุเป็นลบ และของเหลวที่มีประจุไฟฟ้าสูงกว่าจะมีประจุเป็นบวก

ผลกระทบของไทรโบอิเล็กตริกเมื่อของเหลวกระเซ็นเนื่องจากการกระทบกับพื้นผิวของไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งหรือบนพื้นผิวของของเหลวนั้นเกิดจากการทำลายชั้นไฟฟ้าสองชั้นที่รอยต่อระหว่างของเหลวและก๊าซ (การเกิดไฟฟ้าในน้ำตกเกิดขึ้นอย่างแม่นยำโดยกลไกนี้) .

แม้ว่าไทรโบอิเล็กตริกจะนำไปสู่การสะสมประจุไฟฟ้าที่ไม่ต้องการในไดอิเล็กตริกในบางสถานการณ์ เช่น บนผ้าใยสังเคราะห์ แต่อย่างไรก็ตามในปัจจุบัน ไทรโบอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ยังใช้ในการศึกษาสเปกตรัมพลังงานของกับดักอิเล็กตรอนในของแข็ง เช่นเดียวกับในวิทยาแร่เพื่อศึกษาศูนย์เรืองแสง , แร่ธาตุ, การกำหนดเงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของหินและอายุของมัน

เครื่องกำเนิดนาโนไทรโบอิเล็กทริกของ TENG

เมื่อมองแวบแรก ผลกระทบของไทรโบอิเล็กทริกดูเหมือนจะอ่อนแอและไม่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากประจุไฟฟ้ามีความหนาแน่นต่ำและไม่เสถียรที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่ Georgia Tech ได้ค้นพบวิธีปรับปรุงลักษณะพลังงานของเอฟเฟกต์

วิธีการคือกระตุ้นระบบเครื่องกำเนิดนาโนในทิศทางของกำลังขับสูงสุดและเสถียรที่สุด ซึ่งมักจะทำกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมที่มีการกระตุ้นด้วยแม่เหล็ก

เมื่อใช้ร่วมกับแผนการคูณแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับการออกแบบมาเป็นอย่างดี ระบบที่มีการกระตุ้นการประจุไฟฟ้าในตัวเองภายนอกจะสามารถแสดงความหนาแน่นของประจุได้เกินกว่า 1.25 mC ต่อตารางเมตร จำไว้ว่ากำลังไฟฟ้าที่ได้นั้นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของปริมาณที่กำหนด

การพัฒนาของนักวิทยาศาสตร์เป็นการเปิดโอกาสที่แท้จริงสำหรับการสร้างในอนาคตอันใกล้ของเครื่องกำเนิดนาโนแบบไตรโบอิเล็กทริก (TENG, TENG) ที่ใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพสูงสำหรับการชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาด้วยพลังงานที่ได้รับส่วนใหญ่มาจากการเคลื่อนไหวเชิงกลในแต่ละวันของร่างกายมนุษย์

เครื่องกำเนิดนาโนสัญญาว่าจะมีน้ำหนักน้อย ต้นทุนต่ำ และยังช่วยให้คุณเลือกวัสดุที่จะสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ความถี่ต่ำตามลำดับ 1-4 Hz สำหรับการสร้าง

วงจรที่มีการปั๊มประจุภายนอก (คล้ายกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำที่มีการกระตุ้นภายนอก) ถือว่ามีแนวโน้มดีขึ้นในขณะนี้ เมื่อส่วนหนึ่งของพลังงานที่สร้างขึ้นถูกใช้เพื่อสนับสนุนกระบวนการสร้างและเพิ่มความหนาแน่นของประจุในการทำงาน

ตามที่นักพัฒนาคิดไว้ การแยกตัวเก็บประจุกำเนิดและตัวเก็บประจุภายนอกจะช่วยให้เกิดการสร้างที่น่าตื่นเต้นผ่านขั้วไฟฟ้าภายนอกโดยไม่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อชั้นไทรโบอิเล็กทริก

ประจุที่ถูกกระตุ้นจะถูกส่งไปยังอิเล็กโทรดของเครื่องกำเนิดนาโน TENG หลัก (TENG) ในขณะที่ระบบกระตุ้นประจุและโหลดเอาต์พุตหลัก TENG ทำงานเป็นระบบอิสระ

ด้วยการออกแบบโมดูลการกระตุ้นประจุอย่างมีเหตุผล ประจุที่สะสมอยู่ในนั้นสามารถเติมเต็มได้โดยการป้อนกลับจาก TENG เองในระหว่างกระบวนการคายประจุ ด้วยวิธีนี้การกระตุ้นตัวเองของ TENG ทำได้

ในการวิจัย นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาผลกระทบต่อประสิทธิภาพการสร้างของปัจจัยภายนอกต่างๆ เช่น ชนิดและความหนาของไดอิเล็กตริก วัสดุของอิเล็กโทรด ความถี่ ความชื้น เป็นต้น ในขั้นตอนนี้ ชั้นไตรโบอิเล็กทริกของ TENG ประกอบด้วยฟิล์มแคปตอนไดอิเล็กตริกโพลีอิไมด์ที่มีความหนา 5 ไมครอน และขั้วไฟฟ้าทำจากทองแดงและอะลูมิเนียม

ความสำเร็จในปัจจุบันคือหลังจาก 50 วินาทีที่ทำงานที่ความถี่เพียง 1 Hz ประจุจะตื่นเต้นค่อนข้างมีประสิทธิภาพ ซึ่งให้ความหวังสำหรับการสร้างเครื่องกำเนิดนาโนที่เสถียรในอนาคตอันใกล้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย

ในโครงสร้าง TENG ที่มีการกระตุ้นประจุจากภายนอก การแยกความจุของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลักและตัวเก็บประจุโหลดเอาต์พุตทำได้โดยการแยกหน้าสัมผัสสามหน้าออกและใช้ฟิล์มฉนวนที่มีลักษณะอิเล็กทริกต่างกันเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความจุค่อนข้างมาก

ขั้นแรกให้จ่ายประจุจากแหล่งจ่ายแรงดันให้กับ TENG หลักตามความจุที่แรงดันไฟฟ้าสร้างขึ้นในขณะที่อุปกรณ์อยู่ในสถานะสัมผัสของความจุสูงสุด ทันทีที่อิเล็กโทรดทั้งสองแยกจากกัน แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดลงของความจุและประจุจะไหลจากตัวเก็บประจุฐานไปยังตัวเก็บประจุที่จัดเก็บจนกว่าจะถึงสภาวะสมดุล

ในสถานะการสัมผัสครั้งต่อไป ประจุจะกลับสู่ TENG หลักและก่อให้เกิดการสร้างพลังงาน ซึ่งค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของฟิล์มในตัวเก็บประจุหลักจะยิ่งสูงขึ้น การบรรลุระดับแรงดันการออกแบบทำได้โดยใช้ตัวคูณไดโอด