Efecto triboeléctrico y nanogeneradores TENG
El efecto triboeléctrico es el fenómeno de la aparición de cargas eléctricas en algunos materiales cuando se frotan entre sí. Este efecto es inherentemente una manifestación electrificación de contacto, que ha sido conocido por la humanidad desde la antigüedad.
Incluso Thales de Miletsky observó este fenómeno en experimentos con un palo de ámbar frotado con lana. Por cierto, la misma palabra "electricidad" se origina allí, porque traducida del griego, la palabra "electrón" significa ámbar.
Los materiales que pueden exhibir un efecto triboeléctrico se pueden ordenar en el llamado orden triboeléctrico: vidrio, plexiglás, nailon, lana, seda, celulosa, algodón, ámbar, poliuretano, poliestireno, teflón, goma, polietileno, etc.
Al comienzo de la línea hay materiales condicionalmente "positivos", al final, condicionalmente "negativos". Si toma dos materiales de este orden y los frota uno contra el otro, entonces el material más cercano al lado "positivo" tendrá carga positiva y el otro cargará negativamente. Por primera vez, una serie triboeléctrica fue compilada en 1757 por el físico sueco Johann Carl Wilke.
Desde un punto de vista físico, uno de los dos materiales que rozan entre sí estará cargado positivamente, lo que se diferencia del otro por su mayor constante dieléctrica. Este modelo empírico se denomina regla de Cohen y se asocia principalmente con a los dieléctricos.
Cuando un par de dieléctricos químicamente idénticos se frotan entre sí, el más denso adquirirá una carga positiva. En los dieléctricos líquidos, una sustancia con una constante dieléctrica más alta o una tensión superficial más alta estará cargada positivamente. Los metales, por otro lado, cuando se frotan contra la superficie de un dieléctrico, pueden electrificarse tanto positiva como negativamente.
El grado de electrificación de los cuerpos que se frotan entre sí es más significativo cuanto mayor es el área de sus superficies. La fricción del polvo sobre la superficie del cuerpo del que se separó (vidrio, mármol, polvo de nieve, etc.) tiene carga negativa. Cuando el polvo se tamiza a través de un tamiz, las partículas de polvo también se cargan.
El efecto triboeléctrico en los sólidos se puede explicar de la siguiente manera. Los portadores de carga se mueven de un cuerpo a otro. En semiconductores y metales, el efecto triboeléctrico se debe al movimiento de electrones de un material con una función de trabajo más baja a un material con una función de trabajo más alta.
Cuando un dieléctrico roza contra un metal, se produce la electrificación triboeléctrica debido a la transición de electrones del metal al dieléctrico. Cuando un par de dieléctricos se frotan, el fenómeno ocurre debido a la penetración mutua de los iones y electrones correspondientes.
Una contribución significativa a la severidad del efecto triboeléctrico pueden ser los diferentes grados de calentamiento de los cuerpos en el proceso de su fricción entre sí, ya que este hecho provoca el desplazamiento de los portadores de las faltas de homogeneidad locales de una sustancia más calentada — "verdadero" triboelectricidad. Además, la eliminación mecánica de elementos superficiales individuales de piezoeléctricos o piroeléctricos puede conducir a un efecto triboeléctrico.
Aplicado a los líquidos, la manifestación del efecto triboeléctrico está relacionada con la aparición de dobles capas eléctricas en la interfaz entre dos medios líquidos o en la interfaz entre un líquido y un sólido.Cuando los líquidos rozan los metales (durante el flujo o las salpicaduras de impacto), triboelectricidad se produce debido a la separación de cargas en la interfaz entre el metal y el líquido.
La electrificación por frotamiento de dos dieléctricos líquidos se produce por la presencia de dobles capas eléctricas en la interfaz entre líquidos cuyas constantes dieléctricas son diferentes. Como se mencionó anteriormente (según la regla de Cohen), un líquido con una constante dieléctrica más baja está cargado negativamente y un líquido con una constante dieléctrica más alta está cargado positivamente.
El efecto triboeléctrico al salpicar líquidos por impacto en la superficie de un dieléctrico sólido o en la superficie de un líquido se produce por la destrucción de las dobles capas eléctricas en la frontera entre líquido y gas (la electrificación en las cascadas se produce precisamente por este mecanismo) .
Aunque la triboelectricidad conduce en algunas situaciones a la acumulación no deseada de cargas eléctricas en los dieléctricos, como en la tela sintética, el efecto triboeléctrico se usa hoy en día en el estudio del espectro de energía de las trampas de electrones en los sólidos, así como en mineralogía para estudiar los centros luminiscentes. , minerales, determinando las condiciones de formación de las rocas y su edad.
Nanogeneradores triboeléctricos TENG
A primera vista, el efecto triboeléctrico parece ser energéticamente débil e ineficiente debido a la baja e inestable densidad de carga eléctrica involucrada en este proceso. Sin embargo, un grupo de científicos de Georgia Tech ha encontrado una forma de mejorar las características energéticas del efecto.
El método consiste en excitar el sistema nanogenerador en la dirección de la potencia de salida más alta y estable, como se suele hacer con respecto a los generadores de inducción tradicionales con excitación magnética.
Junto con esquemas de multiplicación de voltaje resultantes bien diseñados, un sistema con excitación de autocarga externa es capaz de exhibir densidades de carga superiores a 1,25 mC por metro cuadrado. Recuerda que la potencia eléctrica resultante es proporcional al cuadrado de la cantidad dada.
El desarrollo de los científicos abre una perspectiva real para la creación en un futuro próximo de nanogeneradores triboeléctricos (TENG, TENG) prácticos y de alto rendimiento para cargar dispositivos electrónicos portátiles con energía obtenida principalmente de los movimientos mecánicos diarios del cuerpo humano.
Los nanogeneradores prometen tener bajo peso, bajo costo y también le permitirán elegir para su creación aquellos materiales que generarán de manera más efectiva a bajas frecuencias del orden de 1-4 Hz.
Un circuito con bombeo de carga externo (similar a un generador de inducción con excitación externa) se considera más prometedor en este momento, cuando parte de la energía generada se utiliza para apoyar el proceso de generación y aumentar la densidad de carga de trabajo.
Tal como lo concibieron los desarrolladores, la separación de los capacitores del generador y el capacitor externo permitirá excitar la generación a través de los electrodos externos sin afectar directamente la capa triboeléctrica.
La carga excitada se suministra al electrodo del nanogenerador TENG principal (TENG), mientras que el sistema de excitación de carga y la carga de salida principal TENG funcionan como sistemas independientes.
Con un diseño racional del módulo de excitación de carga, la carga acumulada en él se puede reponer mediante la retroalimentación del propio TENG durante el proceso de descarga. De esta forma se consigue la autoexcitación del TENG.
En el transcurso de la investigación, los científicos estudiaron el efecto sobre la eficiencia de generación de varios factores externos, tales como: el tipo y espesor del dieléctrico, el material de los electrodos, la frecuencia, la humedad, etc. En esta etapa, la capa triboeléctrica TENG incluye una película de kapton dieléctrico de poliimida con un espesor de 5 micras, y los electrodos están hechos de cobre y aluminio.
El logro actual es que después de 50 segundos operando a una frecuencia de solo 1 Hz, la carga se excita de manera bastante eficiente, lo que da esperanza para la creación en un futuro cercano de nanogeneradores estables para amplias aplicaciones.
En la estructura TENG con excitación de carga externa, la separación de las capacitancias del generador principal y el capacitor de carga de salida se logra separando tres contactos y utilizando películas aislantes con diferentes características dieléctricas para lograr un cambio relativamente grande en las capacitancias.
Primero, la carga de la fuente de voltaje se suministra al TENG principal, en cuya capacitancia se acumula el voltaje mientras el dispositivo está en el estado de contacto de máxima capacitancia. Tan pronto como los dos electrodos se separan, el voltaje aumenta debido a una disminución en la capacitancia y la carga fluye desde el capacitor base al capacitor de almacenamiento hasta que se alcanza un estado de equilibrio.
En el siguiente estado de contacto, la carga vuelve al TENG principal y contribuye a la generación de energía, que será mayor cuanto mayor sea la constante dieléctrica de la película en el condensador principal. Alcanzar el nivel de voltaje de diseño se realiza utilizando un multiplicador de diodo.