摩擦电效应和 TENG 纳米发电机

摩擦电效应是某些材料相互摩擦时出现电荷的现象。这种效果本质上是一种表现形式 接触带电，自古以来就为人类所熟知。

甚至 Miletsky 的泰勒斯 (Thales of Miletsky) 在用羊毛摩擦的琥珀棒进行实验时也观察到了这种现象。顺便说一下，“电”这个词就是从那里起源的，因为从希腊语翻译过来的“电子”这个词的意思是琥珀。

可以表现出摩擦电效应的材料可以按照所谓的摩擦电顺序排列：玻璃、有机玻璃、尼龙、羊毛、丝绸、纤维素、棉花、琥珀、聚氨酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、 橡皮、聚乙烯等

在该行的开头有条件地“正面”材料，最后 - 有条件地“负面”。如果你拿这种顺序的两种材料相互摩擦，那么靠近“正”侧的材料将带正电，而另一种带负电。 1757 年，瑞典物理学家约翰·卡尔·威尔克 (Johann Carl Wilke) 首次编制了摩擦电级数。

从物理的角度来看，两种材料中相互摩擦的一种会带正电，而另一种的介电常数较大。该经验模型称为 Cohen 规则，主要与 对电介质.

当一对化学性质相同的电介质相互摩擦时，密度较大的电介质会带上正电荷。在液体电介质中，具有较高介电常数或较高表面张力的物质将带正电。另一方面，当金属与电介质表面摩擦时，会带正电和带负电。

相互摩擦的物体带电程度越显着，它们的表面面积越大。与它分离的物体表面的灰尘（玻璃、大理石、雪尘等）的摩擦带负电。当灰尘通过筛子筛分时，灰尘颗粒也带电。

固体中的摩擦电效应可以解释如下。电荷载体从一个物体移动到另一个物体。在半导体和金属中，摩擦电效应是由于电子从功函数较低的材料向功函数较高的材料移动所致。

当电介质与金属摩擦时，由于电子从金属转移到电介质，会发生摩擦带电。当一对电介质摩擦在一起时，由于相应的离子和电子的相互渗透而发生这种现象。

摩擦电效应严重程度的一个重要贡献可能是物体在相互摩擦过程中的不同加热程度，因为这一事实导致载流子从更热物质的局部不均匀性中位移——“真实”摩擦电。此外，机械去除压电或热电体的单个表面元件会导致摩擦电效应。

应用于液体，摩擦电效应的表现与两种液体介质之间或液体与固体之间界面处双电层的出现有关。当液体与金属摩擦时（在流动或冲击飞溅过程中），摩擦电是由于金属和液体之间的界面处的电荷分离而产生的。

通过摩擦两种液体电介质而产生的带电是由介电常数不同的液体之间的界面处存在双电层引起的。如上所述（根据科恩规则），介电常数较低的液体带负电，而介电常数较高的液体带正电。

由于撞击固体电介质表面或液体表面而飞溅液体时的摩擦电效应是由液体和气体之间边界处的双电层破坏引起的（瀑布中的带电正是通过这种机制发生的） .

尽管摩擦电在某些情况下会导致电介质中不需要的电荷积累，例如在合成织物上，但摩擦电效应如今仍用于研究固体中电子陷阱的能谱，以及用于研究发光中心的矿物学，矿物，确定岩石的形成条件及其年龄。

TENG摩擦纳米发电机

乍一看，由于该过程中涉及的电荷密度低且不稳定，摩擦电效应似乎在能量上微弱且效率低下。然而，佐治亚理工学院的一组科学家找到了一种方法来改善这种效应的能量特性。

该方法是在最高和最稳定的输出功率方向上激励纳米发电机系统，就像传统的磁励磁感应发电机通常所做的那样。

结合精心设计的电压倍增方案，具有外部自充电激励的系统能够表现出超过每平方米 1.25 mC 的电荷密度。回想一下，由此产生的电功率与给定数量的平方成正比。

科学家的发展为在不久的将来创造实用的高性能摩擦纳米发电机（TENG，TENG）开辟了一个真正的前景，该发电机主要从人体的日常机械运动中获得能量，为便携式电子设备充电。

纳米发电机承诺重量轻、成本低，并且还允许您选择在 1-4 赫兹量级的低频下最有效地发电的材料。

具有外部电荷泵的电路（类似于具有外部激励的感应发电机）目前被认为更有前途，此时产生的部分能量用于支持产生过程并增加工作电荷密度。

正如开发人员所设想的那样，发电机电容器和外部电容器的分离将允许通过外部电极产生激励，而不会直接影响摩擦电层。

激发电荷提供给主 TENG 纳米发电机 (TENG) 的电极，而电荷激发系统和主输出负载 TENG 作为独立系统工作。

通过电荷激励模块的合理设计，在放电过程中可以通过TENG自身的反馈来补充其中积累的电荷。这样就实现了TENG的自激。

在研究过程中，科学家们研究了各种外部因素对发电效率的影响，例如：电介质的类型和厚度、电极的材料、频率、湿度等。现阶段， TENG摩擦电层包括厚度为5微米的聚酰亚胺介电kapton薄膜，电极由铜和铝制成。

目前的成就是在仅 1 赫兹的频率下运行 50 秒后，电荷被相当有效地激发，这为在不久的将来创造出稳定的纳米发电机提供了广泛应用的希望。

在具有外部电荷激励的TENG结构中，主发生器和输出负载电容器的电容分离是通过分离三个触点并使用具有不同介电特性的绝缘膜来实现电容的较大变化。

首先，来自电压源的电荷被提供给主 TENG，当器件处于最大电容的接触状态时，在其电容上建立电压。一旦两个电极分开，电压就会因电容的减小而增加，并且电荷会从基极电容器流向存储电容器，直到达到平衡状态。

在下一个接触状态下，电荷返回到主 TENG 并有助于产生能量，主电容器中薄膜的介电常数越高，能量就越大。使用二极管倍增器可实现设计电压电平。