Effet triboélectrique et nanogénérateurs TENG

L'effet triboélectrique est le phénomène d'apparition de charges électriques dans certains matériaux lorsqu'ils se frottent les uns contre les autres. Cet effet est intrinsèquement une manifestation contacter l'électrification, connu de l'humanité depuis l'Antiquité.

Même Thales de Miletsky a observé ce phénomène lors d'expériences avec un bâton d'ambre frotté avec de la laine. Soit dit en passant, le mot même "électricité" vient de là, car traduit du grec, le mot "électron" signifie ambre.

Les matériaux pouvant présenter un effet triboélectrique peuvent être rangés dans l'ordre dit triboélectrique : verre, plexiglas, nylon, laine, soie, cellulose, coton, ambre, polyuréthane, polystyrène, téflon, caoutchouc, polyéthylène, etc.

Au début de la ligne, il y a des matériaux conditionnellement "positifs", à la fin - conditionnellement "négatifs". Si vous prenez deux matériaux de cet ordre et que vous les frottez l'un contre l'autre, le matériau le plus proche du côté "positif" sera chargé positivement et l'autre chargé négativement. Pour la première fois, une série triboélectrique a été compilée en 1757 par le physicien suédois Johann Carl Wilke.

D'un point de vue physique, l'un des deux matériaux frottant l'un contre l'autre sera chargé positivement, ce qui diffère de l'autre par sa plus grande constante diélectrique. Ce modèle empirique est appelé la règle de Cohen et est principalement associé à aux diélectriques.

Lorsqu'une paire de diélectriques chimiquement identiques se frotte l'un contre l'autre, le plus dense acquiert une charge positive. Dans les diélectriques liquides, une substance avec une constante diélectrique plus élevée ou une tension superficielle plus élevée sera chargée positivement. Les métaux, en revanche, lorsqu'ils sont frottés contre la surface d'un diélectrique, peuvent devenir à la fois électrifiés positivement et négativement.

Le degré d'électrification des corps frottant les uns contre les autres est d'autant plus important que la surface de leurs surfaces est grande. Le frottement de la poussière sur la surface du corps dont elle s'est séparée (poussière de verre, de marbre, de neige, etc.) est chargé négativement. Lorsque la poussière est tamisée à travers un tamis, les particules de poussière sont également chargées.

L'effet triboélectrique dans les solides peut être expliqué comme suit. Les porteurs de charge se déplacent d'un corps à l'autre. Dans les semi-conducteurs et les métaux, l'effet triboélectrique est dû au mouvement des électrons d'un matériau à travail de sortie inférieur vers un matériau à travail de sortie supérieur.

Lorsqu'un diélectrique frotte contre un métal, une électrification triboélectrique se produit en raison de la transition des électrons du métal vers le diélectrique. Lorsqu'une paire de diélectriques se frottent, le phénomène se produit en raison de la pénétration mutuelle des ions et des électrons correspondants.

Une contribution significative à la sévérité de l'effet triboélectrique peut être les différents degrés de chauffage des corps au cours de leur frottement les uns contre les autres, car ce fait provoque le déplacement des porteurs des inhomogénéités locales d'une substance plus chauffée - "vrai" triboélectricité. De plus, l'élimination mécanique d'éléments de surface individuels de piézoélectriques ou pyroélectriques peut conduire à un effet triboélectrique.

Appliqué aux liquides, la manifestation de l'effet triboélectrique est liée à l'apparition de doubles couches électriques à l'interface entre deux milieux liquides ou à l'interface entre un liquide et un solide.Lorsque des liquides frottent contre des métaux (lors d'écoulements ou d'éclaboussures d'impact), la triboélectricité se produit en raison de la séparation des charges à l'interface entre le métal et le liquide.

L'électrification par frottement de deux diélectriques liquides est provoquée par la présence de doubles couches électriques à l'interface entre des liquides dont les constantes diélectriques sont différentes. Comme mentionné ci-dessus (selon la règle de Cohen), un liquide avec une constante diélectrique inférieure est chargé négativement, et un liquide avec une constante supérieure est chargé positivement.

L'effet triboélectrique lors des éclaboussures de liquides dues à l'impact à la surface d'un diélectrique solide ou à la surface d'un liquide est provoqué par la destruction de doubles couches électriques à la frontière entre le liquide et le gaz (l'électrification dans les cascades se produit précisément par ce mécanisme) .

Bien que la triboélectricité conduise dans certaines situations à une accumulation indésirable de charges électriques dans les diélectriques, comme sur les tissus synthétiques, l'effet triboélectrique est néanmoins utilisé aujourd'hui dans l'étude du spectre d'énergie des pièges à électrons dans les solides, ainsi qu'en minéralogie pour étudier les centres luminescents. , minéraux, déterminant les conditions de formation des roches et leur âge.

Nanogénérateurs triboélectriques TENG

À première vue, l'effet triboélectrique semble énergétiquement faible et inefficace en raison de la densité faible et instable de la charge électrique impliquée dans ce processus. Cependant, un groupe de scientifiques de Georgia Tech a trouvé un moyen d'améliorer les caractéristiques énergétiques de l'effet.

La méthode consiste à exciter le système nanogénérateur dans le sens de la puissance de sortie la plus élevée et la plus stable, comme cela se fait habituellement par rapport aux générateurs à induction traditionnels à excitation magnétique.

En conjonction avec des schémas de multiplication de tension résultants bien conçus, un système avec excitation d'auto-charge externe est capable de présenter des densités de charge supérieures à 1,25 mC par mètre carré. Rappelons que la puissance électrique résultante est proportionnelle au carré de la quantité donnée.

Le développement des scientifiques ouvre une réelle perspective pour la création dans un avenir proche de nanogénérateurs triboélectriques pratiques et performants (TENG, TENG) pour charger l'électronique portable avec de l'énergie obtenue principalement à partir des mouvements mécaniques quotidiens du corps humain.

Les nanogénérateurs promettent d'avoir un faible poids, un faible coût et vous permettront également de choisir pour leur création les matériaux qui généreront le plus efficacement à des basses fréquences de l'ordre de 1 à 4 Hz.

Un circuit avec pompage de charge externe (similaire à un générateur à induction avec excitation externe) est considéré comme plus prometteur pour le moment, lorsqu'une partie de l'énergie générée est utilisée pour soutenir le processus de génération et augmenter la densité de charge de travail.

Telle que conçue par les développeurs, la séparation des condensateurs du générateur et du condensateur externe permettra une génération d'excitation à travers les électrodes externes sans affecter directement la couche triboélectrique.

La charge excitée est fournie à l'électrode du nanogénérateur TENG principal (TENG), tandis que le système d'excitation de charge et la charge de sortie principale TENG fonctionnent comme des systèmes indépendants.

Avec une conception rationnelle du module d'excitation de charge, la charge accumulée dans celui-ci peut être reconstituée par la rétroaction du TENG lui-même pendant le processus de décharge. De cette manière, l'auto-excitation du TENG est obtenue.

Au cours de la recherche, les scientifiques ont étudié l'effet sur l'efficacité de génération de divers facteurs externes, tels que : le type et l'épaisseur du diélectrique, le matériau des électrodes, la fréquence, l'humidité, etc. A ce stade, la couche triboélectrique TENG comprend un film de kapton diélectrique polyimide d'une épaisseur de 5 microns, et les électrodes sont en cuivre et en aluminium.

La réalisation actuelle est qu'après 50 secondes de fonctionnement à une fréquence de seulement 1 Hz, la charge est excitée assez efficacement, ce qui laisse espérer la création dans un avenir proche de nanogénérateurs stables pour de larges applications.

Dans la structure TENG avec excitation de charge externe, la séparation des capacités du générateur principal et du condensateur de charge de sortie est obtenue en séparant trois contacts et en utilisant des films isolants avec des caractéristiques diélectriques différentes pour obtenir une variation relativement importante des capacités.

Tout d'abord, la charge de la source de tension est fournie au TENG principal, sur la capacité duquel la tension s'accumule pendant que l'appareil est dans l'état de contact de capacité maximale. Dès que les deux électrodes se séparent, la tension augmente en raison d'une diminution de la capacité et la charge circule du condensateur de base vers le condensateur de stockage jusqu'à ce qu'un état d'équilibre soit atteint.

Dans l'état de contact suivant, la charge revient au TENG principal et contribue à la génération d'énergie, qui sera d'autant plus grande que la constante diélectrique du film dans le condensateur principal sera élevée. L'obtention du niveau de tension de conception se fait à l'aide d'un multiplicateur à diodes.