При механическом воздействии на наноматериалы, помимо пьезоэлектрического, часто возникал гораздо менее изученный трибоэлектрический эффект. «Трибоэлектрический эффект — это давно известное явление, и в этом эффекте заряды генерируются, когда две поверхности находятся в трении. Он использует «трибоэлектрический эффект», в результате которого материалы создают электрический заряд при трении друг о друга. В 2012-м выяснили, что трибоэлектрический эффект может делать то же самое, и такое устройство намного эффективнее и намного дешевле.
Как работает трибоэлектрический кабель
- Газета «Суть времени»
- Подписка на дайджест
- Исследователи ИИТ Дели разработали устройство для выработки электричества из капель дождя
- Подписка на дайджест
- Шум преампа. Формула Фрииса. Трибоэлектрический эффект
Наномембрану для носимых генераторов разработали исследователи из Японии
The triboelectric effect can be unpredictable because many details are often not controlled. For instance, as early as 1910, Jaimeson observed that for a piece of cellulose, the sign of the charge was dependent upon whether it was bent concave or convex during rubbing. In 1920, Richards pointed out that for colliding particles the velocity and mass played a role, not just what the materials were. For instance the work of Burgo and Erdemir , [44] which showed that the sign of charge transfer reverses between when a tip is pushing into a substrate versus when it pulls out; the detailed work of Lee et al [45] and Forward, Lacks and Sankaran [46] and others measuring the charge transfer during collisions between particles of zirconia of different size but the same composition, with one size charging positive, the other negative; the observations using sliding [46] or Kelvin probe force microscope [47] of inhomogeneous charge variations between nominally identical materials. Illustration of triboelectric charging from contacting asperities The details of how and why tribocharging occurs are not established science as of 2023. One component is the difference in the work function also called the electron affinity between the two materials.
Surfaces have many nanoscale asperities where the contact is taking place, [38] which has been taken into account in many approaches to triboelectrification. With this approximation, each asperity contact during sliding is equivalent to a stationary one; there is no direct coupling between the sliding velocity and electron motion. While there is extensive experimental data on triboelectricity there is not as yet full scientific consensus on the source, [68] [69] or perhaps more probably the sources. Some aspects are established, and will be part of the full picture: Work function differences between the two materials. This is a list of materials ordered by how they develop a charge relative to other materials on the list.
Johan Carl Wilcke published the first one in a 1757 paper. Lists vary somewhat as to the order of some materials. The triboelectric charge density of the tested materials was measured with respect to liquid mercury in a glove box under well-defined conditions, with fixed temperature, pressure and humidity.
Но, как и с любым видом технологии, всегда есть место для совершенствования. Группа инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон Автомобили являются одним из наиболее революционных творений человечества. Группа инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон и их сотрудники из Китая разработали наногенератор, который собирает энергию от трения шин автомобиля. Вооружившись специальным наногенератором и игрушечной моделью Jeep, исследователи продемонстрировали как эта энергия может быть собрана и преобразована в электричество, усовершенствование, которое может обеспечить повышение эффективности топлива в полноразмерных автомобилях будущего. Принцип работы наногенератора основывается на трибоэлектрическом эффекте, который собирает энергию от меняющегося электрического потенциала между дорожным покрытием и колесами автомобиля.
Новая трибоэлектрическую ткань может существенно усовершенствовать носимые генераторы энергии. Умный текстиль становится все более востребованным.
Пока эта технология может питать только светодиодные лампы и калькуляторы, но это важный шаг на пути к будущему носимых устройств. В ответ на это команда ученых из Китая и Японии успешно разработала новый многослойный TENG, используя уникальные свойства электропрядных волокон. Они также добавили нанопровода и слой накопителя заряда из полистирола, чтобы противостоять рассеиванию энергии. Это обеспечивает как более высокие электрические характеристики, так и повышенную износостойкость, говорится в релизе. Трибоэлектрический эффект является ключевым для зарядки от движения тела, которая происходит, когда два разнородных элемента удаляются друг от друга после контакта.
В экваториальной части Титана находятся дюны, ориентированные против направления движения преобладающих в регионе приповерхностных ветров. Такая геометрия холмов, как полагают ученые, связана с трибоэлектрическим эффектом — возникновением электрических сил притяжения между трущимися друг о друга углеводородными частицами, образующими дюны. Сильные ветры, по оценкам ученых, не позволяют значительно изменить геометрию крупных дюн, в отличие от малых. Ученые полагают, что взаимное притяжение углеводородных частиц на Титане, обусловленное трибоэлектрическим эффектом, на порядок превышает таковое для песчинок на Земле.
Учёные научились получать энергию из дождя
Пока технология может питать только светодиодные фонари и калькуляторы, но, как отмечают авторы разработки, это шаг в будущее, где одежда человека будет заряжать носимые устройства. При создании новой мембраны ученые использовали трибоэлектрические наногенераторы TENG. Трибоэлектрическим эффектом называют явление возникновения электрических зарядов у некоторых материалов при их трении друг о друга. Данный эффект является проявлением контактной электризации. Трибоэлектрические наногенераторы тока рассматривают как один из перспективных типов постоянных источников тока: в отличие от обычных батареек, они не требует регулярной замены.
Для этого используют трибоэлектрические генераторы. Для защиты трубопроводов внутрь трубы устанавливают трибогенераторы-«ежики» рис. При движении жидкости внутри трубы происходит ее трение об разветвленную поверхность «ежиков», за счет чего вырабатывается необходимое количество электроэнергии. Ее избыток отводится на «землю», тем самым балансируя происходящие термодинамические процессы и останавливая коррозию. За решеткой радиатора устанавливается трибоэлектрический генератор рис. Во время движения и стоянки автомобиля за счет трения о генератор частичек вещества, находящихся в воздухе, происходит выработка электроэнергии. Ее достаточно для защиты авто от процессов коррозии, происходящих на поверхности металлов. А за счет того, что под днищем авто устанавливаются дополнительные протекторные элементы, эффективность системы увеличивается многократно. При этом система сбалансирована с помощью заземлителя, что обеспечивает равновесие происходящих процессов и полностью останавливает коррозию. На видео показано, что пока на трибогенератор не дует воздух, прибор который фиксирует напряжение, показывает 0. Но если начать обдувать трибогенератор воздухом, на нем моментально появляется электрический заряд.
Основной результат трения это увеличение площади фактического контакта , более частые контакты старых поверхностей и образование новых. В случае металлов нет нужды в изобилии контактов, для изоляторов это необходимо это и привело к образованию ошибочного мнения о роли трения. Трение — это только условие, а не причина возникновения трибоэлектричества. Для этого существует ряд практических приемов. Наэлектризованный диэлектрический порошок, попадая на поверхность диэлектрического ОК, создает на нем электростатический заряд противоположного знака. Электростатическое поле на поверхности ОК искажается при наличии дефектов, например трещин, на краях которых создаются электростатические поля рассеяния. В результате порошок оседает на краях трещин, делая их визуально различимыми.
Наногенератор генерирует биомеханическую энергию при контакте с телом и передает ее на конденсатор, обеспечивая непрерывную подзарядку часов. Впервые трибоэлектрический эффект описал древнегреческий философ и математик Фалес Милетский в ходе опытов с янтарными палочками. Он заметил, что если янтарную палочку натереть кошачьим мехом, то ей можно «притянуть» легкие предметы, например, перья.
Из Википедии — свободной энциклопедии
- Трибоэлектричество
- Трибоэлектрический эффект - Triboelectric effect
- Обувь с портами для зарядки телефона
- Чжун Линь Ван: китайский ученый, совершивший прорыв в энергетике
НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ
В его основе лежит трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. В 2012-м выяснили, что трибоэлектрический эффект может делать то же самое, и такое устройство намного эффективнее и намного дешевле. Трибоэлектрические наногенераторы преобразуют механические движения в электричество и способны вырабатывать электроэнергию из любых видов микроколебаний. Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения.
Ученые нашли в космосе электрическую луну
Человек, просто идущий по ковру, снимая нейлоновую рубашку или трясь об автокресло, также может создать разность потенциалов в несколько тысяч вольт, чего достаточно, чтобы вызвать искру длиной один миллиметр или более. Электростатический разряд может не проявляться во влажном климате, потому что поверхностная конденсация обычно предотвращает трибоэлектрический заряд, а повышенная влажность увеличивает электропроводность воздуха. Это не тот случай, когда емкость одного из объектов очень велика. Механизм трибоэлектрификации Потенциал межатомного взаимодействия может применяться для понимания взаимодействий между атомами. Когда два атома находятся в положениях равновесия с равновесным межатомным расстоянием, электронные облака или волновые функции частично перекрываются. С одной стороны, если два атома приближаются друг к другу под воздействием внешней силы, межатомное расстояние становится короче, чем равновесное расстояние, два атома, таким образом, отталкиваются друг от друга из-за увеличения перекрытия электронного облака. Именно в этой области происходит перенос электрона. С другой стороны, если два атома отделены друг от друга, чтобы иметь большее межатомное расстояние, чем равновесное расстояние, они будут притягиваться друг к другу из-за дальнодействующего Ван-дер-Ваальсова взаимодействия.
Потенциал межатомного взаимодействия между двумя атомами для понимания переноса электронов как сокращения длины связи под действием внешней силы. Для трибоэлектрификации был предложен механизм переноса заряда атомного масштаба общая модель электронного облака-потенциала. Во-первых, до контакта двух материалов в атомном масштабе не существует перекрытия между их электронными облаками и существует сила притяжения. Электроны настолько тесно связаны на определенных орбитах, что не могут свободно улететь. Затем, когда два атома в двух материалах приближаются к контакту, между ними образуется ионная или ковалентная связь за счет перекрытия электронного облака. Внешняя сила может еще больше уменьшить межатомное расстояние длину связи , а сильное перекрытие электронного облака вызывает падение энергетического барьера между ними, что приводит к переносу электронов, который является процессом трибоэлектрификации. Как только два атома разделены, перенесенные электроны останутся, потому что электронам требуется энергия, чтобы передать их обратно, образуя электростатические заряды на поверхностях материалов.
Общая модель электронного облака-потенциальной ямы, предложенная Вангом для объяснения трибоэлектрификации и переноса и высвобождения заряда между двумя материалами, которые могут не иметь четко определенной структуры энергетических зон.
Механическое движение тела во время ходьбы или бега заставляет трибоэлектрические слои набирать заряд. Таким образом, механическая энергия преобразуется в электрическую, которая может быть использована для питания электронных устройств. Обычно заряд, накапливающийся на поверхности трибоэлектрика, постепенно теряется или рассеивается, снижая плотность поверхностного заряда и выходную мощность наногенератора. Однако в данном случае добавленная полистироловая мембрана собирает и удерживает заряд, сохраняя плотность поверхностного заряда AF-TENG.
Исследователи использовали AF-TENG для питания 126 коммерческих светодиодов мощностью 0,06 Вт каждый, продемонстрировав практическую осуществимость создания наногенератора. Более того, устройство обладает гибкостью и воздухопроницаемостью, поскольку все компоненты состоят из волокнистых материалов.
Технологии Мы ежедневно пользуемся различными планшетами, телефонами, бытовой техникой, всевозможными приборами по уходу за собой и своим домом, но вместе с этим возрастает и количество потребляемой нами энергии.
Учитывая, что наши потребности в этом полезном ресурсе с каждым днем увеличиваются, то можно сделать логичный вывод, что назревает новая энергетическая проблема. К счастью, ученые изучили проблему нехватки энергетических ресурсов и нашли, возможно, самый обильный и устойчивый источник возобновляемой энергии. Статическое электричество может стать спасением человечества от энергетического кризиса Как работает трибоэлектрический наногенератор?
Еще в Древней Греции заметили, что если потереть кусочек янтаря о шерсть животного, то он начнет притягивать мелкие частицы и пыль. Именно оно вдохновило ученых на поиски способа сбора статической энергии из океана, воздуха и даже движения нашего тела.
Второй слой древесины был залит нанокристаллами, называемыми цеолитным имидазолатным каркасом-8 ZIF-8. Он представляет собой гибридную сеть из ионов металлов и органических молекул и имеет более высокую тенденцию к потере электронов. Они также протестировали различные виды древесины, чтобы определить, могут ли определенные породы или направление резки древесины влиять на ее трибоэлектрические свойства, служа лучшей основой для покрытия. Исследователи обнаружили, что трибоэлектрический наногенератор, сделанный из радиально обрезанной ели, обычной древесины для строительства в Европе, показал наилучшие результаты. Вместе эти обработки повысили производительность трибоэлектрического наногенератора - он генерировал в 80 раз больше электроэнергии, чем натуральное дерево. Электроэнергия устройства была стабильной при постоянных нагрузках до 1500 циклов. Исследователи обнаружили, что прототип деревянного пола с площадью поверхности немного меньше листа бумаги может производить достаточно энергии для питания бытовых светодиодных ламп и небольших электронных устройств.
Они успешно зажгли лампочку с помощью прототипа, когда взрослый человек прошел по нему, превратив шаги в электричество.
'трибоэлектричество'
Ученые из Технологического института Джорджии заявили о создании эффективного и надежного трибоэлектрического генератора. Благодаря трибоэлектрическому эффекту, материалы собирают заряд, образующийся в результате их соединения/разъединения, который затем передают через контакт. Новая модель сердечного водителя ритма работает с помощью трибоэлектрического эффекта. Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения (разделения материалов после плотного контакта).
Ученые создали гибкие графеновые трибоэлектрические генераторы
Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. Принцип работы наногенератора основан на трибоэлектрическом эффекте — природном явлении генерации разницы потенциалов при трении двух материалов. Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. Текстиль работает по принципу трибоэлектрического эффекта.
Как работает трибоэлектрический кабель
При растяжении или сжатии устройства при контакте с кожей происходит перераспределение зарядов между слоями и появление электрического тока. Суперконденсатор и наногенератор прибора соединены с помощью выпрямителя, который преобразует переменный ток в постоянный. Устройство самозаряжаемого пауэрбанка За счет своей гибкости и легкого веса, наногенератор можно закрепить на теле, а суперконденсатор надеть на запястье как браслет под электронный часы. Наногенератор генерирует биомеханическую энергию при контакте с телом и передает ее на конденсатор, обеспечивая непрерывную подзарядку часов.
Советские дети тёрли об голову надутый воздушный шарик, а потом приклеивали его к потолку. С появлением оргтехники, бытовой электроники, упаковочного пенопласта и бинбэгов кресла-мешки в ход пошли котики. Так что мы знаем на данный момент про трибоэлектричество? Трибология — наука, раздел физики, занимающийся исследованием и описанием контактного взаимодействия твёрдых деформируемых тел при их относительном перемещении. Областью трибологических исследований являются процессы трения, изнашивания и смазки. Трибоэлектрический эффект очень непредсказуем, и можно сделать лишь широкие обобщения.
Всеобъемлющая теория электризации пока не построена, но выявлено много эмпирических закономерностей. Правило Коэна: материал с более высокой диэлектрической постоянной получает положительный заряд.
При трении водяных частиц о металлические стенки, в частности, электричество накапливается за счет разделения зарядов на поверхности стекания жидкости.
Причина электризации на границе раздела двух жидких изоляторов — образование двойного слоя заряда на поверхностях сред с различной диэлектрической проницаемостью. Согласно правилу Коэна жидкая среда с меньшей диэлектрической константой приобретает отрицательный заряд, а с большим ее значением — положительный. Трибоэлектрический эффект, возникающий при разбрызгивании жидкостей и ударе капель по поверхности твердого диэлектрика, вызван разрушением электрических слоев в зоне разграничения.
Электризация струй падающей с большой высоты воды водопадов происходит аналогичным образом. При оценке эффекта учитывается не только его отрицательное влияние на жизнь человека например, электризация синтетических тканей, мешающая надевать одежду. Важно принимать во внимание и тот положительный эффект, который достигается с его помощью.
Типичный пример использования его с пользой для человека — изучение энергетического спектра электронных ловушек, образующихся в твердом теле. Помимо этого электризация сред трением широко применяется в минералогии, где она применяется при исследовании центров люминесценции некоторых образцов горных пород. Использование эффекта для создания наногенераторов Трибоэлектрический эффект как физическое явление не обладает ярко выраженными признаками, что объясняется низкой плотностью образующихся при трении зарядов.
Группа ученых из США штат Джорджия в свое время предприняла попытку улучшить его энергетические характеристики.
Основная сложность - сделать эти устройства достаточно гибкими, лёгкими и долговечными. Учёные активно исследуют трибоэлектрический эффект на наноуровне и создают гибридные энергетические системы, сочетающие разные источники энергии, например солнечные элементы и трибоэлектрические генераторы. Это позволит получать электричество из самых разных возобновляемых источников - движений человека, ветра, дождя, солнечного света.
Новая ткань генерирует энергию от движений тела, но ее не отличить от обычной
Трибоэлектрический наногенератор, использующий эффект Бернулли для поглощения энергии ветра, Cell Reports Physical Science, онлайн 23 сентября 2020 г.; DOI: 10.1016. Кроме того к трибоэлектрическому эффекту может приводить механическое удаление отдельных элементов поверхности пьезоэлектриков или пироэлектриков. В его основе лежит эффект Бернулли, который позволил стабилизировать колебания двух гибких полосок на ветру.