تأثير كهربي محكم ومولدات نانوية TENG
تأثير كهرباء الاحتكاك هو ظاهرة ظهور الشحنات الكهربائية في بعض المواد عند احتكاكها ببعضها البعض. هذا التأثير هو في جوهره مظهر من مظاهر كهربة الاتصالالتي عرفتها البشرية منذ العصور القديمة.
حتى تاليس من Miletsky لاحظ هذه الظاهرة في التجارب باستخدام عصا العنبر التي تم فركها بالصوف. بالمناسبة ، نشأت كلمة "كهرباء" من هناك ، لأن كلمة "إلكترون" المترجمة من اليونانية تعني العنبر.
يمكن ترتيب المواد التي يمكن أن تظهر تأثير كهرباء الاحتكاك في ما يسمى بالترتيب الكهربائي الاحتكاري: الزجاج ، والزجاج الشبكي ، والنايلون ، والصوف ، والحرير ، والسليلوز ، والقطن ، والعنبر ، والبولي يوريثان ، والبوليسترين ، والتفلون ، ممحاةوالبولي ايثيلين ، إلخ.
في بداية السطر توجد مواد "إيجابية" مشروطة ، في النهاية - "سلبية" مشروطة. إذا أخذت مادتين من هذا الطلب وفركتهما ضد بعضهما البعض ، فإن المادة الأقرب إلى الجانب "الموجب" ستكون مشحونة إيجابًا والأخرى سالبة الشحنة. لأول مرة ، تم تجميع سلسلة كهرباء الاحتكاك في عام 1757 من قبل الفيزيائي السويدي يوهان كارل ويلك.
من وجهة نظر مادية ، فإن احتكاك إحدى المادتين ببعضهما البعض سيكون موجب الشحنة ، والذي يختلف عن الأخرى من خلال ثابت العزل الكهربائي الأكبر. يُطلق على هذا النموذج التجريبي قاعدة كوهين ويرتبط بشكل أساسي بـ للعوازل.
عندما يحتك زوج من العوازل المتماثلة كيميائيًا ببعضهما البعض ، فإن الأكثر كثافة يكتسب شحنة موجبة. في المواد العازلة السائلة ، فإن المادة التي تحتوي على ثابت عازل أعلى أو توتر سطحي أعلى ستُشحن إيجابياً. من ناحية أخرى ، يمكن للمعادن أن تصبح مكهربة إيجابًا وسلبًا عند فركها على سطح عازل.
درجة كهربة احتكاك الأجسام ببعضها البعض أكثر أهمية ، كلما زادت مساحة أسطحها. احتكاك الغبار على سطح الجسم الذي انفصل عنه (زجاج ، رخام ، غبار ثلجي ، إلخ) هو شحنة سالبة. عندما يتم نخل الغبار من خلال منخل ، يتم أيضًا شحن جزيئات الغبار.
يمكن تفسير تأثير الاحتكاك الكهربائي في المواد الصلبة على النحو التالي. تنتقل ناقلات الشحن من جسم إلى آخر. في أشباه الموصلات والمعادن ، يرجع تأثير الاحتكاك الكهربائي إلى حركة الإلكترونات من مادة ذات وظيفة عمل أقل إلى مادة ذات وظيفة عمل أعلى.
عندما يحتك عازل كهربائي بمعدن ، تحدث كهربة الاحتكاك الكهربائي بسبب انتقال الإلكترونات من المعدن إلى العازل. عندما يحتك زوج من العوازل معًا ، تحدث هذه الظاهرة بسبب الاختراق المتبادل للأيونات والإلكترونات المقابلة.
يمكن أن تكون الدرجات المختلفة لتسخين الأجسام أثناء عملية الاحتكاك ببعضها البعض مساهمة كبيرة في شدة تأثير كهرباء الاحتكاك ، لأن هذه الحقيقة تتسبب في إزاحة الناقلات من عدم التجانس المحلي لمادة أكثر تسخينًا - "صحيح" كهرباء الاحتكاك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي الإزالة الميكانيكية لعناصر السطح الفردية للكهرباء الانضغاطية أو الكهروحرارية إلى تأثير احتكاك كهربائي.
عند تطبيقه على السوائل ، يرتبط مظهر تأثير الاحتكاك الكهربائي بظهور طبقات كهربائية مزدوجة عند السطح البيني بين وسيطين سائلين أو عند السطح البيني بين سائل ومادة صلبة. عندما تحتك السوائل بالمعادن (أثناء التدفق أو تأثير البقع) ، تحدث كهرباء الاحتكاك بسبب فصل الشحنات عند السطح البيني بين المعدن والسائل.
الكهربة عن طريق فرك اثنين من العوازل السائلة ناتجة عن وجود طبقات كهربائية مزدوجة في السطح البيني بين السوائل التي تختلف ثوابتها العازلة. كما هو مذكور أعلاه (وفقًا لقاعدة كوهين) ، فإن السائل الذي يحتوي على ثابت عازل منخفض يكون مشحونًا سالبًا ، والسائل ذو الشحنة الأعلى يكون موجبًا.
يحدث التأثير الكهربي الاحتكاري عند رش السوائل بسبب التأثير على سطح مادة عازلة صلبة أو على سطح سائل بسبب تدمير الطبقات المزدوجة الكهربائية عند الحد الفاصل بين السائل والغاز (تحدث الكهرباء في الشلالات على وجه التحديد من خلال هذه الآلية) .
على الرغم من أن كهرباء الاحتكاك تؤدي في بعض الحالات إلى تراكم غير مرغوب فيه للشحنات الكهربائية في المواد العازلة ، مثل النسيج الاصطناعي ، إلا أن تأثير الاحتكاك الكهربائي يستخدم اليوم في دراسة طيف الطاقة لمصائد الإلكترون في المواد الصلبة ، وكذلك في علم المعادن لدراسة مراكز الإنارة والمعادن ، وتحديد شروط تكوين الصخور وأعمارها.
المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية TENG
للوهلة الأولى ، يبدو تأثير الاحتكاك الكهربائي ضعيفًا وغير فعال بسبب الكثافة المنخفضة وغير المستقرة للشحنة الكهربائية المتضمنة في هذه العملية. ومع ذلك ، فقد وجدت مجموعة من العلماء في Georgia Tech طريقة لتحسين خصائص الطاقة للتأثير.
تتمثل الطريقة في إثارة نظام المولد النانوي في اتجاه أعلى طاقة خرج وأكثرها استقرارًا ، كما هو الحال عادةً فيما يتعلق بالمولدات الحثية التقليدية ذات الإثارة المغناطيسية.
بالاقتران مع مخططات مضاعفة الجهد الناتجة المصممة جيدًا ، فإن النظام الذي يحتوي على إثارة خارجية ذاتية الشحن قادر على إظهار كثافات شحنة تزيد عن 1.25 mC لكل متر مربع. تذكر أن الطاقة الكهربائية الناتجة تتناسب مع مربع الكمية المعطاة.
يفتح تطور العلماء آفاقًا حقيقية لإنشاء مولدات النانو الكهربائية الاحتكارية العملية وعالية الأداء (TENG ، TENG) في المستقبل القريب لشحن الأجهزة الإلكترونية المحمولة بالطاقة التي يتم الحصول عليها أساسًا من الحركات الميكانيكية اليومية لجسم الإنسان.
تعد المولدات النانوية بوزن منخفض وتكلفة منخفضة ، وستسمح لك أيضًا باختيار المواد التي ستولد بشكل أكثر فاعلية بترددات منخفضة بترتيب 1-4 هرتز.
تعتبر الدائرة المزودة بضخ شحن خارجي (على غرار المولد الحثي مع الإثارة الخارجية) واعدة أكثر في الوقت الحالي ، عندما يتم استخدام جزء من الطاقة المتولدة لدعم عملية التوليد وزيادة كثافة شحنة العمل.
كما تصورها المطورون ، سيسمح فصل مكثفات المولد والمكثف الخارجي بتوليد مثير من خلال الأقطاب الكهربائية الخارجية دون التأثير بشكل مباشر على الطبقة الاحتكاكية الكهربائية.
يتم توفير الشحنة المثارة للإلكترود الخاص بمولد النانو الرئيسي TENG (TENG) ، بينما يعمل نظام الإثارة بالشحن وحمل الإخراج الرئيسي TENG كنظم مستقلة.
مع التصميم العقلاني لوحدة إثارة الشحن ، يمكن تجديد الشحنة المتراكمة فيها من خلال التغذية المرتدة من TENG نفسها أثناء عملية التفريغ. بهذه الطريقة ، يتم تحقيق الإثارة الذاتية لـ TENG.
في سياق البحث ، درس العلماء التأثير على كفاءة التوليد لعوامل خارجية مختلفة ، مثل: نوع وسمك العازل ، مادة الأقطاب ، التردد ، الرطوبة ، إلخ. في هذه المرحلة ، تشتمل طبقة TENG الكهربائية الاحتكارية على فيلم بوليميد عازل كابتون بسماكة 5 ميكرون ، والأقطاب الكهربائية مصنوعة من النحاس والألمنيوم.
الإنجاز الحالي هو أنه بعد 50 ثانية من التشغيل بتردد 1 هرتز فقط ، يتم تحفيز الشحنة بكفاءة عالية ، مما يعطي الأمل في إنشاء مولدات نانوية مستقرة في المستقبل القريب لتطبيقات واسعة.
في هيكل TENG مع إثارة الشحنة الخارجية ، يتم فصل سعات المولد الرئيسي ومكثف حمل الخرج عن طريق فصل ثلاثة جهات اتصال واستخدام أغشية عازلة بخصائص عازلة مختلفة لتحقيق تغيير كبير نسبيًا في السعات.
أولاً ، يتم توفير الشحنة من مصدر الجهد إلى TENG الرئيسي ، بناءً على السعة التي يتراكم فيها الجهد بينما يكون الجهاز في حالة التلامس ذات السعة القصوى. بمجرد فصل القطبين ، يزداد الجهد بسبب انخفاض السعة وتدفق الشحنة من مكثف القاعدة إلى مكثف التخزين حتى يتم الوصول إلى حالة التوازن.
في حالة التلامس التالية ، تعود الشحنة إلى TENG الرئيسي وتساهم في توليد الطاقة ، والتي ستكون أكبر كلما ارتفع ثابت العزل الكهربائي للفيلم في المكثف الرئيسي. يتم تحقيق مستوى الجهد التصميمي باستخدام مضاعف الصمام الثنائي.