אפקט טריבו-אלקטרי וננו-גנרטורים TENG
האפקט הטריבו-אלקטרי הוא תופעה של הופעת מטענים חשמליים בחומרים מסוימים כאשר הם מתחככים זה בזה. השפעה זו היא מטבעה ביטוי לפנות לחשמל, המוכר לאנושות עוד מימי קדם.
אפילו תאלס ממילצקי צפה בתופעה זו בניסויים עם מקל ענבר משופשף בצמר. אגב, עצם המילה "חשמל" מקורה משם, כי בתרגום מיוונית משמעות המילה "אלקטרון" היא ענבר.
חומרים שיכולים להפגין אפקט טריבו-אלקטרי יכולים להיות מסודרים לפי הסדר המכונה טריבו-אלקטרי: זכוכית, פרספקס, ניילון, צמר, משי, תאית, כותנה, ענבר, פוליאוריטן, פוליסטירן, טפלון, גוּמִי,פוליאתילן וכו'.
בתחילת השורה יש חומרים "חיוביים" בתנאי, בסוף - "שליליים" בתנאי. אם לוקחים שני חומרים בסדר הזה ומשפשפים אותם זה בזה, אז החומר הקרוב יותר לצד ה"חיובי" יהיה טעון חיובי והשני טעון שלילי. בפעם הראשונה, סדרה טריבו-אלקטרית חוברה בשנת 1757 על ידי הפיזיקאי השבדי יוהאן קרל וילק.
מנקודת מבט פיזיקלית, אחד משני החומרים המתחכך זה בזה יהיה טעון חיובי, אשר שונה מהשני בקבוע הדיאלקטרי הגדול יותר שלו. מודל אמפירי זה נקרא שלטון כהן והוא קשור בעיקר אליו לדיאלקטריים.
כאשר זוג דיאלקטריים זהים מבחינה כימית מתחככים זה בזה, הצפוף יותר יקבל מטען חיובי. בדיאלקטריה נוזלית, חומר בעל קבוע דיאלקטרי גבוה יותר או מתח פנים גבוה יותר יהיה טעון חיובי. מתכות, לעומת זאת, כאשר משפשפים אותם על פני השטח של דיאלקטרי, עלולות להתחשמל באופן חיובי ושלילי.
מידת החשמול של גופים מתחככים זה בזה משמעותית יותר, ככל ששטח המשטחים שלהם גדול יותר. חיכוך האבק על פני הגוף ממנו נפרד (זכוכית, שיש, אבק שלג וכו') טעון שלילי. כאשר מסננים את האבק במסננת, נטענים גם חלקיקי האבק.
ניתן להסביר את ההשפעה הטריבו-אלקטרית במוצקים באופן הבא. נושאי מטען נעים מגוף אחד למשנהו. במוליכים למחצה ובמתכות האפקט הטריבו-אלקטרי נובע מתנועת אלקטרונים מחומר בעל פונקציית עבודה נמוכה יותר לחומר בעל פונקציית עבודה גבוהה יותר.
כאשר דיאלקטרי מתחכך במתכת, חשמול טריבו-אלקטרי מתרחש עקב מעבר אלקטרונים מהמתכת לדיאלקטרי. כאשר זוג דיאלקטריים מתחככים יחד, התופעה מתרחשת עקב חדירה הדדית של היונים והאלקטרונים המתאימים.
תרומה משמעותית לחומרת ההשפעה הטריבו-אלקטרית יכולה להיות דרגות החימום השונות של הגופים בתהליך החיכוך שלהם זה מול זה, שכן עובדה זו גורמת לעקירה של נשאים מאי-הומוגניות מקומית של חומר מחומם יותר - "נכון" triboelectricity. בנוסף, הסרה מכנית של אלמנטים משטחים בודדים של פיזואלקטריים או פירואלקטריים יכולה להוביל לאפקט טריבו-אלקטרי.
מיושם על נוזלים, הביטוי של האפקט הטריבו-אלקטרי קשור להופעת שכבות כפולות חשמליות בממשק בין שני אמצעים נוזליים או בממשק שבין נוזל למוצק.כאשר נוזלים מתחככים במתכות (בזמן זרימה או התזות פגיעה), triboelectricity מתרחשת עקב הפרדת מטענים בממשק בין המתכת לנוזל.
חשמול על ידי שפשוף של שני דיאלקטריים נוזליים נגרם על ידי נוכחות של שכבות כפולות חשמליות בממשק בין נוזלים שהקבועים הדיאלקטריים שלהם שונים. כאמור לעיל (לפי הלכת כהן), נוזל בעל קבוע דיאלקטרי נמוך יותר טעון שלילי, ונוזל עם גבוה יותר טעון חיובי.
האפקט הטריבו-אלקטרי בעת התזת נוזלים עקב פגיעה על פני השטח של דיאלקטרי מוצק או על פני השטח של נוזל נגרם מהרס של שכבות כפולות חשמליות בגבול בין נוזל לגז (החשמול במפלים מתרחש בדיוק על ידי מנגנון זה) .
למרות שטריבו-חשמליות מובילה במצבים מסוימים להצטברות לא רצויה של מטענים חשמליים בדיאלקטריים, כמו בבד סינטטי, האפקט הטריבו-אלקטרי בכל זאת משמש כיום בחקר ספקטרום האנרגיה של מלכודות אלקטרונים במוצקים, כמו גם במינרלוגיה לחקר מרכזי זוהר , מינרלים, קביעת התנאים להיווצרות סלעים וגילם.
ננו-גנרטורים טריבו-אלקטריים של TENG
במבט ראשון, נראה שהאפקט הטריבו-אלקטרי חלש מבחינה אנרגטית ולא יעיל בשל הצפיפות הנמוכה והלא יציבה של המטען החשמלי הכרוך בתהליך זה. עם זאת, קבוצה של מדענים בג'ורג'יה טק מצאו דרך לשפר את מאפייני האנרגיה של האפקט.
השיטה היא לעורר את מערכת הננו-גנרטור לכיוון הספק המוצא הגבוה והיציב ביותר, כפי שנעשה בדרך כלל ביחס למחוללי אינדוקציה מסורתיים בעלי עירור מגנטי.
בשילוב עם תוכניות הכפלת מתח מתוכננות היטב, מערכת עם עירור מטען עצמי חיצוני מסוגלת להציג צפיפות מטען העולה על 1.25 mC למ"ר. נזכיר שההספק החשמלי המתקבל הוא פרופורציונלי לריבוע של הכמות הנתונה.
התפתחותם של מדענים פותחת סיכוי אמיתי ליצירה בעתיד הקרוב של ננו-גנרטורים טריבו-אלקטריים (TENG, TENG) מעשיים ובעלי ביצועים גבוהים לטעינת אלקטרוניקה ניידת באנרגיה המתקבלת בעיקר מהתנועות המכניות היומיומיות של גוף האדם.
ננוגנרטורים מבטיחים להיות בעלי משקל נמוך, עלות נמוכה, וגם יאפשרו לכם לבחור ליצירתם את אותם חומרים שייצרו בצורה היעילה ביותר בתדרים נמוכים בסדר גודל של 1-4 הרץ.
מעגל עם שאיבת מטען חיצוני (בדומה למחולל אינדוקציה עם עירור חיצוני) נחשב למבטיח יותר כרגע, כאשר חלק מהאנרגיה המופקת משמש לתמיכה בתהליך היצור ולהגדלת צפיפות המטען בעבודה.
כפי שחשבו המפתחים, ההפרדה בין קבלי הגנרטור לבין הקבל החיצוני תאפשר יצירה מרגשת דרך האלקטרודות החיצוניות מבלי להשפיע ישירות על השכבה הטריבו-אלקטרית.
המטען הנרגש מסופק לאלקטרודה של הננו-גנרטור הראשי TENG (TENG), בעוד שמערכת עירור המטען ועומס המוצא הראשי TENG פועלות כמערכות עצמאיות.
עם תכנון רציונלי של מודול עירור המטען, ניתן לחדש את המטען המצטבר בו על ידי משוב מה- TENG עצמו במהלך תהליך הפריקה. בדרך זו מושגת עירור עצמי של ה- TENG.
במהלך המחקר חקרו המדענים את ההשפעה על יעילות הייצור של גורמים חיצוניים שונים, כגון: סוג ועובי הדיאלקטרי, חומר האלקטרודות, התדירות, הלחות ועוד. בשלב זה, שכבת ה-TENG triboelectric כוללת סרט קפטון דיאלקטרי פוליאמיד בעובי של 5 מיקרון, והאלקטרודות עשויות מנחושת ואלומיניום.
ההישג הנוכחי הוא שאחרי 50 שניות הפועלות בתדר של 1 הרץ בלבד, המטען מתרגש בצורה יעילה למדי, מה שנותן תקווה ליצירה בעתיד הקרוב של ננו-גנרטורים יציבים ליישומים רחבים.
במבנה TENG עם עירור מטען חיצוני, ההפרדה בין הקיבוליות של הגנרטור הראשי וקבל העומס במוצא מושגת על ידי הפרדת שלושה מגעים ושימוש בסרטים מבודדים בעלי מאפיינים דיאלקטריים שונים להשגת שינוי גדול יחסית בקיבוליות.
ראשית, המטען ממקור המתח מסופק ל- TENG הראשי, שעל הקיבול שלו מצטבר המתח בזמן שהמכשיר נמצא במצב מגע של קיבול מרבי. ברגע ששתי האלקטרודות נפרדות, המתח עולה עקב ירידה בקיבול ומטען זורם מקבל הבסיס לקבל האחסון עד שמגיע למצב שיווי משקל.
במצב המגע הבא המטען חוזר ל-TENG הראשי ותורם לייצור אנרגיה, שתהיה גדולה יותר ככל שהקבוע הדיאלקטרי של הסרט בקבל הראשי גבוה יותר. השגת רמת המתח העיצובית נעשית באמצעות מכפיל דיודה.