마찰전기 효과 및 TENG 나노발전기

마찰 전기 효과는 일부 재료가 서로 마찰할 때 전하가 나타나는 현상입니다. 이 효과는 본질적으로 표현입니다. 접촉 대전, 고대부터 인류에게 알려져 왔습니다.

Miletsky의 Thales조차도 호박색 막대를 양모로 문지른 실험에서 이러한 현상을 관찰했습니다. 그건 그렇고, "전기"라는 단어는 그리스어에서 번역되기 때문에 "전자"라는 단어는 호박색을 의미합니다.

마찰 전기 효과를 나타낼 수 있는 재료는 유리, 플렉시 유리, 나일론, 양모, 실크, 셀룰로오스, 면, 호박색, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 테플론, 고무, 폴리에틸렌 등

줄의 시작 부분에는 조건부로 "긍정적인"자료가 있고 끝에는 조건부로 "부정적인"자료가 있습니다. 이 순서의 두 가지 물질을 서로 문지르면 "양극"쪽에 가까운 물질은 양전하를 띠고 다른 물질은 음전하를 띤다. 1757년 스웨덴 물리학자 요한 칼 빌케(Johann Carl Wilke)가 처음으로 마찰 전기 시리즈를 편집했습니다.

물리적인 관점에서 서로 마찰하는 두 재료 중 하나는 더 큰 유전 상수에 의해 다른 재료와 다른 양으로 대전될 것입니다. 이 경험적 모델은 Cohen의 규칙이라고 하며 주로 다음과 연관됩니다. 유전체에.

화학적으로 동일한 한 쌍의 유전체가 서로 마찰하면 밀도가 더 높은 유전체가 양전하를 갖게 됩니다. 액체 유전체에서 유전율이 더 높거나 표면 장력이 더 높은 물질은 양전하를 띤다. 반면에 금속은 유전체 표면에 문지르면 양전하와 음전하로 대전될 수 있습니다.

서로 마찰하는 신체의 대전 정도는 표면적이 클수록 더 중요합니다. 분리 된 신체 표면 (유리, 대리석, 눈 먼지 등)의 먼지 마찰은 음전하를 띤다. 먼지가 체를 통해 걸러지면 먼지 입자도 대전됩니다.

고체의 마찰 전기 효과는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 전하 캐리어는 한 몸체에서 다른 몸체로 이동합니다. 반도체 및 금속에서 마찰 전기 효과는 낮은 일함수를 가진 물질에서 높은 일함수를 가진 물질로 전자가 이동하기 때문입니다.

유전체가 금속에 문지르면 금속에서 유전체로 전자가 전이되어 마찰 대전이 발생합니다. 한 쌍의 유전체가 서로 마찰하면 해당 이온과 전자의 상호 침투로 인해 현상이 발생합니다.

마찰 전기 효과의 심각성에 크게 기여하는 것은 서로 마찰하는 과정에서 신체의 가열 정도가 다를 수 있습니다. 이 사실은 더 가열된 물질의 국부적 불균질성에서 캐리어의 변위를 유발하기 때문입니다. "참" 마찰전기. 또한 압전 또는 초전기의 개별 표면 요소를 기계적으로 제거하면 마찰 전기 효과가 발생할 수 있습니다.

액체에 적용하면 마찰 전기 효과의 발현은 두 액체 매질 사이의 계면 또는 액체와 고체 사이의 계면에서 전기 이중층의 출현과 관련이 있습니다. 마찰 전기는 금속과 액체 사이의 계면에서 전하의 분리로 인해 발생합니다.

2개의 액체 유전체를 문질러 대전시키는 것은 유전 상수가 다른 액체 사이의 계면에 전기 이중층이 존재하기 때문에 발생합니다. 위에서 언급한 바와 같이(코헨의 법칙에 따라) 유전율이 낮은 액체는 음전하를 띠고 유전율이 높은 액체는 양전하를 띤다.

고체 유전체 표면 또는 액체 표면에 대한 충격으로 인해 액체가 튀었을 때의 마찰 전기 효과는 액체와 기체의 경계에서 전기 이중층이 파괴되어 발생합니다(폭포의 대전은 이 메커니즘에 의해 정확하게 발생합니다). .

마찰 전기는 일부 상황에서 합성 섬유와 같은 유전체에 원치 않는 전하 축적을 일으키지만 그럼에도 불구하고 마찰 전기 효과는 오늘날 고체 내 전자 트랩의 에너지 스펙트럼 연구와 광물학에서 발광 센터를 연구하는 데 사용됩니다. , 광물, 암석 형성 조건 및 연령 결정.

TENG 마찰전기 나노발전기

언뜻 보기에 마찰 전기 효과는 이 과정에 포함된 낮고 불안정한 전하 밀도로 인해 에너지적으로 약하고 비효율적으로 보입니다. 그러나 Georgia Tech의 과학자 그룹은 효과의 에너지 특성을 개선하는 방법을 찾았습니다.

이 방법은 일반적으로 자기 여기를 사용하는 기존 유도 발전기와 관련하여 수행되는 것처럼 가장 높고 가장 안정적인 출력 방향으로 나노 발전기 시스템을 여기시키는 것입니다.

잘 설계된 결과 전압 증배 체계와 함께 외부 자체 전하 여기 기능이 있는 시스템은 평방 미터당 1.25mC를 초과하는 전하 밀도를 나타낼 수 있습니다. 결과 전력은 주어진 양의 제곱에 비례한다는 것을 기억하십시오.

과학자들의 개발은 주로 인체의 일상적인 기계적 움직임에서 얻은 에너지로 휴대용 전자 장치를 충전하기 위한 실용적인 고성능 마찰 전기 나노 발전기(TENG, TENG)의 가까운 미래에 창조에 대한 진정한 전망을 열어줍니다.

나노 발전기는 무게가 적고 비용이 저렴하며 1-4Hz 정도의 저주파에서 가장 효과적으로 생성되는 재료를 선택하여 제작할 수 있습니다.

생성된 에너지의 일부가 생성 프로세스를 지원하고 작동 전하 밀도를 증가시키는 데 사용되는 현재로서는 외부 전하 펌핑이 있는 회로(외부 여기가 있는 유도 생성기와 유사)가 더 유망한 것으로 간주됩니다.

개발자가 생각한 대로 발전기 커패시터와 외부 커패시터를 분리하면 마찰 전기 레이어에 직접 영향을 주지 않고 외부 전극을 통해 여기 생성이 가능합니다.

여기된 전하는 주 TENG 나노발전기(TENG)의 전극에 공급되는 반면 전하 여기 시스템과 주 출력 부하 TENG는 독립적인 시스템으로 작동합니다.

전하 여기 모듈의 합리적인 설계를 통해 방전 과정에서 TENG 자체의 피드백을 통해 축적된 전하를 보충할 수 있습니다. 이러한 방식으로 TENG의 자체 여기가 달성됩니다.

연구 과정에서 과학자들은 유전체의 종류와 두께, 전극의 재질, 주파수, 습도 등과 같은 다양한 외부 요인이 발전 효율에 미치는 영향을 연구했습니다. 이 단계에서, TENG 마찰 전기 층은 두께가 5미크론인 폴리이미드 유전체 캡톤 필름을 포함하고 전극은 구리와 알루미늄으로 만들어집니다.

현재 성과는 단 1Hz의 주파수에서 50초 동안 작동한 후 전하가 매우 효율적으로 여기되어 가까운 미래에 광범위한 응용을 위한 안정적인 나노 발전기의 생성에 대한 희망을 주는 것입니다.

외부 전하 여기가 있는 TENG 구조에서 메인 발전기와 출력 부하 커패시터의 커패시턴스 분리는 3개의 접점을 분리하고 유전 특성이 다른 절연막을 사용하여 상대적으로 큰 커패시턴스 변화를 달성함으로써 달성됩니다.

첫째, 전압 소스의 전하는 장치가 최대 정전 용량의 접촉 상태에 있는 동안 전압이 축적되는 정전 용량에서 주 TENG에 공급됩니다. 두 전극이 분리되자마자 정전용량의 감소로 인해 전압이 증가하고 전하가 평형 상태에 도달할 때까지 기본 커패시터에서 저장 커패시터로 흐릅니다.

다음 접촉 상태에서 전하는 메인 TENG로 돌아가고 에너지 생성에 기여하며, 이는 메인 커패시터에서 필름의 유전 상수가 높을수록 커집니다. 설계 전압 레벨 달성은 다이오드 체배기를 사용하여 수행됩니다.