Hiệu ứng điện áp và máy phát điện nano TENG

Hiệu ứng điện ma sát là hiện tượng xuất hiện các điện tích trong một số vật liệu khi chúng cọ xát với nhau. Hiệu ứng này vốn dĩ là một biểu hiện tiếp xúc với điện khí hóa, đã được nhân loại biết đến từ thời cổ đại.

Ngay cả Thales of Miletsky cũng quan sát thấy hiện tượng này trong các thí nghiệm với một thanh hổ phách được cọ xát bằng len. Nhân tiện, từ "điện" bắt nguồn từ đó, bởi vì được dịch từ tiếng Hy Lạp, từ "electron" có nghĩa là hổ phách.

Các vật liệu có thể biểu hiện hiệu ứng điện áp ma sát có thể được sắp xếp theo thứ tự được gọi là điện áp ma sát: thủy tinh, plexiglass, nylon, len, lụa, cellulose, bông, hổ phách, polyurethane, polystyrene, Teflon, cao su, polyetylen, v.v.

Ở đầu dòng có các vật liệu "tích cực" có điều kiện, ở cuối - "tiêu cực" có điều kiện. Nếu bạn lấy hai vật liệu theo thứ tự này và chà xát chúng vào nhau, thì vật liệu gần mặt "dương" nhất sẽ được tích điện dương và vật liệu kia sẽ tích điện âm. Lần đầu tiên, một chuỗi ma sát được biên soạn vào năm 1757 bởi nhà vật lý người Thụy Điển Johann Carl Wilke.

Từ quan điểm vật lý, một trong hai vật liệu cọ xát với nhau sẽ tích điện dương, vật này khác với vật kia bởi hằng số điện môi lớn hơn. Mô hình thực nghiệm này được gọi là quy tắc Cohen và chủ yếu liên quan đến đến điện môi.

Khi một cặp chất điện môi giống hệt nhau về mặt hóa học cọ xát với nhau, chất đặc hơn sẽ thu được điện tích dương. Trong chất điện môi lỏng, chất có hằng số điện môi cao hơn hoặc sức căng bề mặt cao hơn sẽ tích điện dương. Mặt khác, kim loại khi cọ xát với bề mặt của chất điện môi có thể trở nên nhiễm điện dương và nhiễm điện âm.

Mức độ nhiễm điện của các vật thể cọ xát với nhau càng lớn thì diện tích bề mặt của chúng càng lớn. Bụi ma sát trên bề mặt vật thể mà nó tách ra (thủy tinh, đá cẩm thạch, bụi tuyết, v.v.) được tích điện âm. Khi bụi được sàng qua sàng, các hạt bụi cũng được tích điện.

Hiệu ứng điện ma sát trong chất rắn có thể được giải thích như sau. Hạt mang điện di chuyển từ vật thể này sang vật thể khác. Trong chất bán dẫn và kim loại, hiệu ứng điện ma sát là do sự chuyển động của các electron từ vật liệu có công thấp hơn sang vật liệu có công cao hơn.

Khi một chất điện môi cọ xát với kim loại, điện khí hóa ma sát xảy ra do sự chuyển đổi của các electron từ kim loại sang chất điện môi. Khi một cặp điện môi cọ xát với nhau, hiện tượng xảy ra là do sự xâm nhập lẫn nhau của các ion và electron tương ứng.

Một đóng góp đáng kể vào mức độ nghiêm trọng của hiệu ứng điện ma sát có thể là mức độ nóng lên khác nhau của các vật thể trong quá trình ma sát của chúng với nhau, vì thực tế này gây ra sự dịch chuyển của các chất mang từ tính không đồng nhất cục bộ của một chất nóng hơn - "đúng" ma sát điện. Ngoài ra, việc loại bỏ cơ học các phần tử bề mặt riêng lẻ của áp điện hoặc hỏa điện có thể dẫn đến hiệu ứng ma sát.

Áp dụng cho chất lỏng, biểu hiện của hiệu ứng điện ma sát có liên quan đến sự xuất hiện của các lớp điện kép tại mặt phân cách giữa hai môi trường chất lỏng hoặc tại mặt phân cách giữa chất lỏng và chất rắn. ma sát điện xảy ra do sự phân tách điện tích ở giao diện giữa kim loại và chất lỏng.

Sự nhiễm điện do cọ xát hai chất điện môi lỏng là do sự có mặt của các lớp kép điện tại mặt phân cách giữa các chất lỏng có hằng số điện môi khác nhau. Như đã đề cập ở trên (theo quy tắc Cohen), chất lỏng có hằng số điện môi thấp hơn sẽ tích điện âm và chất lỏng có hằng số điện môi cao hơn sẽ tích điện dương.

Hiệu ứng điện ma sát khi chất lỏng bắn tung tóe do tác động lên bề mặt của chất điện môi rắn hoặc trên bề mặt chất lỏng là do sự phá hủy các lớp kép điện ở ranh giới giữa chất lỏng và chất khí (sự nhiễm điện trong thác nước xảy ra chính xác theo cơ chế này) .

Mặc dù trong một số trường hợp, điện ma sát dẫn đến sự tích tụ điện tích không mong muốn trong chất điện môi, chẳng hạn như trên vải tổng hợp, hiệu ứng điện ma sát ngày nay vẫn được sử dụng trong nghiên cứu phổ năng lượng của bẫy điện tử trong chất rắn, cũng như trong khoáng vật học để nghiên cứu các trung tâm phát quang , khoáng vật, xác định điều kiện thành tạo đá và tuổi của chúng.

Máy phát điện nano điện ma sát TENG

Thoạt nhìn, hiệu ứng điện ma sát có vẻ yếu và không hiệu quả về mặt năng lượng do mật độ điện tích thấp và không ổn định tham gia vào quá trình này. Tuy nhiên, một nhóm các nhà khoa học tại Georgia Tech đã tìm ra cách cải thiện các đặc tính năng lượng của hiệu ứng.

Phương pháp này là kích thích hệ thống máy phát điện nano theo hướng có công suất đầu ra cao nhất và ổn định nhất, như thường được thực hiện đối với các máy phát điện cảm ứng truyền thống có kích thích từ tính.

Cùng với các sơ đồ nhân điện áp kết quả được thiết kế tốt, một hệ thống có kích thích tự nạp bên ngoài có khả năng thể hiện mật độ điện tích vượt quá 1,25 mC trên một mét vuông. Nhớ lại rằng công suất điện sinh ra tỉ lệ với bình phương của đại lượng đã cho.

Sự phát triển của các nhà khoa học mở ra triển vọng thực sự cho việc tạo ra các máy phát điện nano điện ma sát hiệu suất cao và thực tế (TENG, TENG) trong tương lai gần để sạc các thiết bị điện tử cầm tay bằng năng lượng thu được chủ yếu từ các chuyển động cơ học hàng ngày của cơ thể con người.

Máy phát điện nano hứa hẹn sẽ có trọng lượng thấp, chi phí thấp và cũng sẽ cho phép bạn chọn những vật liệu sẽ tạo ra hiệu quả nhất ở tần số thấp khoảng 1-4 Hz để tạo ra chúng.

Một mạch có bơm điện tích bên ngoài (tương tự như máy phát cảm ứng có kích thích bên ngoài) được coi là hứa hẹn hơn vào thời điểm hiện tại, khi một phần năng lượng được tạo ra được sử dụng để hỗ trợ quá trình tạo và tăng mật độ điện tích làm việc.

Theo ý tưởng của các nhà phát triển, việc tách biệt các tụ điện máy phát và tụ điện bên ngoài sẽ cho phép tạo ra nguồn điện kích thích thông qua các điện cực bên ngoài mà không ảnh hưởng trực tiếp đến lớp điện ma sát.

Điện tích kích thích được cung cấp cho điện cực của máy phát điện nano TENG chính (TENG), trong khi hệ thống kích thích điện tích và tải đầu ra chính TENG hoạt động như các hệ thống độc lập.

Với thiết kế hợp lý của mô-đun kích thích điện tích, điện tích tích lũy trong nó có thể được bổ sung bằng phản hồi từ chính TENG trong quá trình phóng điện. Bằng cách này, TENG có thể tự kích thích.

Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bên ngoài đến hiệu suất phát điện, như: loại và độ dày của chất điện môi, vật liệu làm điện cực, tần số, độ ẩm, v.v.. Ở giai đoạn này, lớp điện ma sát TENG bao gồm một màng kapton điện môi polyimide có độ dày 5 micron và các điện cực được làm bằng đồng và nhôm.

Thành tựu hiện tại là sau 50 giây hoạt động ở tần số chỉ 1 Hz, điện tích được kích thích khá hiệu quả, điều này mang lại hy vọng cho việc tạo ra các máy phát điện nano ổn định cho các ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần.

Trong cấu trúc TENG có kích thích điện tích bên ngoài, việc tách điện dung của máy phát chính và tụ điện tải đầu ra được thực hiện bằng cách tách ba tiếp điểm và sử dụng màng cách điện có các đặc tính điện môi khác nhau để đạt được sự thay đổi tương đối lớn về điện dung.

Đầu tiên, điện tích từ nguồn điện áp được cung cấp cho TENG chính, trên điện dung mà điện áp tích tụ trong khi thiết bị ở trạng thái tiếp xúc có điện dung tối đa. Ngay khi hai điện cực tách ra, điện áp tăng lên do điện dung giảm và điện tích chạy từ tụ điện cơ bản sang tụ điện lưu trữ cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng.

Ở trạng thái tiếp xúc tiếp theo, điện tích quay trở lại TENG chính và góp phần tạo ra năng lượng, năng lượng này sẽ càng lớn nếu hằng số điện môi của màng trong tụ điện chính càng cao. Việc đạt được mức điện áp thiết kế được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nhân diode.