Efeito triboelétrico e nanogeradores TENG

O efeito triboelétrico é o fenômeno do aparecimento de cargas elétricas em alguns materiais quando eles se esfregam uns nos outros. Este efeito é inerentemente uma manifestação eletrificação de contato, que é conhecido pela humanidade desde os tempos antigos.

Até Tales de Miletsky observou esse fenômeno em experimentos com uma vara de âmbar esfregada com lã. A propósito, a própria palavra "eletricidade" vem daí, porque traduzida do grego, a palavra "elétron" significa âmbar.

Os materiais que podem exibir um efeito triboelétrico podem ser dispostos na chamada ordem triboelétrica: vidro, plexiglass, nylon, lã, seda, celulose, algodão, âmbar, poliuretano, poliestireno, teflon, borracha, polietileno, etc.

No início da linha existem materiais condicionalmente "positivos", no final - condicionalmente "negativos". Se você pegar dois materiais desta ordem e esfregá-los um contra o outro, o material mais próximo do lado "positivo" será carregado positivamente e o outro carregado negativamente. Pela primeira vez, uma série triboelétrica foi compilada em 1757 pelo físico sueco Johann Carl Wilke.

Do ponto de vista físico, um dos dois materiais em atrito será carregado positivamente, o que difere do outro por sua maior constante dielétrica. Este modelo empírico é chamado regra de Cohen e está associado principalmente com para dielétricos.

Quando um par de dielétricos quimicamente idênticos se esfrega um contra o outro, o mais denso adquirirá uma carga positiva. Em dielétricos líquidos, uma substância com uma constante dielétrica mais alta ou tensão superficial mais alta será carregada positivamente. Os metais, por outro lado, quando friccionados contra a superfície de um dielétrico, podem se tornar eletrificados positiva e negativamente.

O grau de eletrificação dos corpos que se esfregam é mais significativo quanto maior a área de suas superfícies. A fricção do pó na superfície do corpo do qual se separou (vidro, mármore, pó de neve, etc.) é carregada negativamente. Quando o pó é passado por uma peneira, as partículas de pó também são carregadas.

O efeito triboelétrico em sólidos pode ser explicado da seguinte forma. Os portadores de carga se movem de um corpo para outro. Em semicondutores e metais, o efeito triboelétrico é devido ao movimento de elétrons de um material com função de trabalho mais baixa para um material com função de trabalho mais alta.

Quando um dielétrico se esfrega contra um metal, a eletrificação triboelétrica ocorre devido à transição de elétrons do metal para o dielétrico. Quando um par de dielétricos se esfrega, o fenômeno ocorre devido à penetração mútua dos íons e elétrons correspondentes.

Uma contribuição significativa para a severidade do efeito triboelétrico pode ser os diferentes graus de aquecimento dos corpos no processo de fricção entre si, pois esse fato causa o deslocamento de portadores de inomogeneidades locais de uma substância mais aquecida - "verdadeiro" triboeletricidade. Além disso, a remoção mecânica de elementos de superfície individuais de piezoelétricos ou piroelétricos pode levar a um efeito triboelétrico.

Aplicado a líquidos, a manifestação do efeito triboelétrico está relacionada ao aparecimento de duplas camadas elétricas na interface entre dois meios líquidos ou na interface entre um líquido e um sólido. triboeletricidade ocorre devido à separação de cargas na interface entre o metal e o líquido.

A eletrificação por fricção de dois dielétricos líquidos é causada pela presença de duplas camadas elétricas na interface entre líquidos cujas constantes dielétricas são diferentes. Conforme mencionado acima (de acordo com a regra de Cohen), um líquido com uma constante dielétrica mais baixa é carregado negativamente e um líquido com uma constante dielétrica mais alta é carregado positivamente.

O efeito triboelétrico ao espirrar líquidos devido ao impacto na superfície de um dielétrico sólido ou na superfície de um líquido é causado pela destruição de duplas camadas elétricas na fronteira entre líquido e gás (a eletrificação em cachoeiras ocorre justamente por esse mecanismo) .

Embora a triboeletricidade leve em algumas situações ao acúmulo indesejado de cargas elétricas em dielétricos, como em tecidos sintéticos, o efeito triboelétrico ainda é usado hoje no estudo do espectro de energia de armadilhas de elétrons em sólidos, bem como na mineralogia para estudar centros luminescentes , minerais, determinando as condições de formação das rochas e sua idade.

Nanogeradores triboelétricos TENG

À primeira vista, o efeito triboelétrico parece ser energeticamente fraco e ineficiente devido à baixa e instável densidade de carga elétrica envolvida neste processo. No entanto, um grupo de cientistas da Georgia Tech encontrou uma maneira de melhorar as características energéticas do efeito.

O método consiste em excitar o sistema nanogerador na direção da potência de saída mais alta e estável, como geralmente é feito em relação aos geradores de indução tradicionais com excitação magnética.

Em conjunto com esquemas de multiplicação de tensão resultantes bem projetados, um sistema com excitação de autocarga externa é capaz de exibir densidades de carga superiores a 1,25 mC por metro quadrado. Lembre-se de que a potência elétrica resultante é proporcional ao quadrado da quantidade dada.

O desenvolvimento dos cientistas abre uma perspectiva real para a criação em um futuro próximo de nanogeradores triboelétricos práticos e de alto desempenho (TENG, TENG) para carregar eletrônicos portáteis com energia obtida principalmente dos movimentos mecânicos diários do corpo humano.

Os nanogeradores prometem ter baixo peso, baixo custo e também permitirão que você escolha para sua criação os materiais que gerarão com mais eficiência em baixas frequências da ordem de 1-4 Hz.

Um circuito com bombeamento externo de carga (semelhante a um gerador de indução com excitação externa) é considerado mais promissor no momento, quando parte da energia gerada é utilizada para dar suporte ao processo de geração e aumentar a densidade de carga de trabalho.

Conforme concebido pelos desenvolvedores, a separação dos capacitores do gerador e do capacitor externo permitirá a geração de excitação através dos eletrodos externos sem afetar diretamente a camada triboelétrica.

A carga excitada é fornecida ao eletrodo do nanogerador de TENG principal (TENG), enquanto o sistema de excitação de carga e a carga de saída principal TENG funcionam como sistemas independentes.

Com um projeto racional do módulo de excitação de carga, a carga acumulada nele pode ser reposta por feedback do próprio TENG durante o processo de descarga. Desta forma, a auto-excitação do TENG é alcançada.

No decorrer da pesquisa, os cientistas estudaram o efeito na eficiência de geração de vários fatores externos, como: o tipo e a espessura do dielétrico, o material dos eletrodos, a frequência, a umidade etc. a camada triboelétrica TENG inclui um filme kapton dielétrico de poliimida com espessura de 5 mícrons e os eletrodos são feitos de cobre e alumínio.

A conquista atual é que após 50 segundos operando a uma frequência de apenas 1 Hz, a carga é excitada de forma bastante eficiente, o que dá esperança para a criação em um futuro próximo de nanogeradores estáveis ​​para aplicações amplas.

Na estrutura TENG com excitação de carga externa, a separação das capacitâncias do gerador principal e do capacitor de carga de saída é obtida separando três contatos e usando filmes isolantes com características dielétricas diferentes para obter uma mudança relativamente grande nas capacitâncias.

Primeiro, a carga da fonte de tensão é fornecida ao TENG principal, em cuja capacitância a tensão aumenta enquanto o dispositivo está no estado de contato de capacitância máxima. Assim que os dois eletrodos se separam, a tensão aumenta devido a uma diminuição na capacitância e a carga flui do capacitor de base para o capacitor de armazenamento até que um estado de equilíbrio seja alcançado.

No próximo estado de contato, a carga retorna ao TENG principal e contribui para a geração de energia, que será tanto maior quanto maior for a constante dielétrica do filme no capacitor principal. Atingir o nível de tensão de projeto é feito usando um multiplicador de diodo.