摩擦電気効果とTENGナノ発電機

摩擦電気効果は、いくつかの材料が互いにこすれるときに電荷が現れる現象です。この効果は本質的に発現です 接触帯電、それは古代から人類に知られていました。

ミレツキーのタレスでさえ、羊毛でこすった琥珀の棒を使った実験でこの現象を観察しました。ちなみに、ギリシャ語から翻訳された「電子」という言葉は琥珀を意味するため、「電気」という言葉そのものがそこに由来しています。

摩擦電気効果を示す可能性のある材料は、いわゆる摩擦電気の順序で配置できます: ガラス、プレキシガラス、ナイロン、ウール、シルク、セルロース、綿、琥珀、ポリウレタン、ポリスチレン、テフロン、 ゴム、ポリエチレンなど。

行の先頭には条件付きで「ポジティブ」なマテリアルがあり、最後には条件付きで「ネガティブ」なマテリアルがあります。この順序の 2 つの材料を互いにこすり合わせると、「プラス」側に近い材料はプラスに帯電し、もう一方の材料はマイナスに帯電します。初めて摩擦電気系列が 1757 年にスウェーデンの物理学者ヨハン カール ヴィルケによって編纂されました。

物理的な観点から見ると、互いにこすり合う 2 つの材料のうちの一方は正に帯電しますが、もう一方は誘電率が大きいという点で異なります。この経験的モデルはコーエンの法則と呼ばれ、主に次のことに関連しています。 誘電体へ.

化学的に同一の誘電体のペアが互いに擦れると、密度が高い方が正の電荷を帯びます。液体誘電体では、より高い誘電率またはより高い表面張力を持つ物質は正に帯電します。一方、金属は誘電体の表面をこすると、プラスとマイナスの両方に帯電する可能性があります。

互いにこすれる物体の帯電の程度は、その表面の面積が大きいほど顕著になります。剥がれた物体表面の粉塵（ガラス、大理石、雪粉塵など）の摩擦によりマイナスに帯電します。粉塵をふるいにかけると、粉塵粒子も帯電します。

固体における摩擦電気効果は次のように説明できます。電荷キャリアはある物体から別の物体に移動します。半導体や金属では、摩擦電気効果は、仕事関数の低い材料から仕事関数の高い材料への電子の移動によって発生します。

誘電体が金属と擦れると、金属から誘電体への電子の移動により摩擦帯電が発生します。一対の誘電体が擦れ合うと、対応するイオンと電子の相互浸透によりこの現象が発生します。

摩擦電気効果の深刻さに大きく寄与するのは、物体が互いに摩擦する過程での物体の加熱の程度の違いである可能性があります。この事実により、より加熱された物質の局所的な不均一性からキャリアの移動が引き起こされるからです。「本当です」摩擦電気。さらに、圧電体または焦電体の個々の表面要素を機械的に除去すると、摩擦電気効果が生じる可能性があります。

液体に適用される摩擦電気効果の発現は、2 つの液体媒体の間の界面、または液体と固体の間の界面での電気二重層の出現に関連しています。液体が金属と擦れるとき (流動時や衝撃飛沫時)、摩擦電気は、金属と液体の界面での電荷の分離によって発生します。

2 つの液体誘電体を擦ることによる帯電は、誘電率の異なる液体間の界面に電気二重層が存在することによって引き起こされます。上で述べたように (コーエンの法則に従って)、誘電率が低い液体はマイナスに帯電し、誘電率が高い液体はプラスに帯電します。

固体誘電体表面や液体表面への衝撃により液体が飛散するときの摩擦帯電効果は、液体と気体の境界にある電気二重層の破壊によって引き起こされます（滝の帯電はまさにこのメカニズムによって起こります） 。

摩擦電気は、状況によっては合成繊維などの誘電体に望ましくない電荷の蓄積を引き起こす可能性がありますが、それでも摩擦電気効果は、今日では固体中の電子トラップのエネルギースペクトルの研究や、発光中心を研究するための鉱物学で使用されています。 、鉱物、岩石の形成条件とその年齢を決定します。

TENG 摩擦電気ナノ発電機

一見すると、摩擦電気効果は、このプロセスに関与する電荷密度が低く不安定であるため、エネルギー的に弱く非効率であるように見えます。しかし、ジョージア工科大学の科学者グループは、効果のエネルギー特性を改善する方法を発見しました。

この方法は、磁気励起による従来の誘導発電機に対して通常行われているように、最も高く最も安定した出力電力の方向にナノ発電機システムを励起することです。

適切に設計された電圧増倍スキームと組み合わせると、外部自己電荷励起を備えたシステムは、平方メートルあたり 1.25 mC を超える電荷密度を示すことができます。結果として生じる電力は、指定された量の 2 乗に比例することを思い出してください。

科学者の発展により、主に人体の日常の機械的運動から得られるエネルギーで携帯用電子機器を充電するための、実用的で高性能な摩擦電気ナノ発電機（TENG、TENG）が近い将来に開発される本当の見通しが開かれます。

ナノ発電機は軽量、低コストであることが約束されており、また、1 ～ 4 Hz 程度の低周波数で最も効果的に発電する材料を選択して作成することもできます。

外部チャージポンプを備えた回路（外部励起を備えた誘導発電機に類似）は、生成されたエネルギーの一部が発電プロセスをサポートし、動作電荷密度を高めるために使用される場合、現時点ではより有望であると考えられています。

開発者が考えたように、発電機のコンデンサと外部コンデンサを分離すると、摩擦電気層に直接影響を与えることなく、外部電極を介して励起発電が可能になります。

励起された電荷はメイン TENG ナノ発電機 (TENG) の電極に供給され、電荷励起システムとメイン出力負荷 TENG は独立したシステムとして動作します。

電荷励起モジュールの合理的な設計により、その中に蓄積された電荷は、放電プロセス中に TENG 自体からのフィードバックによって補充されます。このようにして、TENG の自己励振が達成されます。

研究の過程で、科学者たちは、誘電体の種類と厚さ、電極の材質、周波数、湿度などのさまざまな外部要因が発電効率に及ぼす影響を研究しました。この段階では、 TENG 摩擦電気層には厚さ 5 ミクロンのポリイミド誘電体カプトン フィルムが含まれており、電極は銅とアルミニウムでできています。

現在の成果は、わずか 1 Hz の周波数で 50 秒間動作させた後、電荷が非常に効率的に励起されるということであり、これにより、近い将来に幅広い用途向けの安定したナノ発電機が作成される可能性が期待されます。

外部電荷励起による TENG 構造では、メインジェネレータと出力負荷コンデンサの静電容量の分離は、3 つの接点を分離し、誘電特性の異なる絶縁膜を使用することで比較的大きな静電容量変化を実現します。

まず、電圧源からの電荷がメイン TENG に供給され、デバイスが最大静電容量の接触状態にある間、その静電容量に電圧が蓄積されます。 2 つの電極が離れるとすぐに、静電容量の減少により電圧が増加し、平衡状態に達するまで電荷がベース コンデンサからストレージ コンデンサに流れます。

次の接触状態では、電荷はメイン TENG に戻り、メイン コンデンサの膜の誘電率が高いほどエネルギーの生成に寄与します。設計電圧レベルの達成は、ダイオード乗算器を使用して行われます。