بطاريات الناس: التحليل النظري لمولدات النانو بناء على التأثيرات الكهربائية

الطاقة هي واحدة من أكثر المشاكل إلحاحًا في عصرنا ، أو بالأحرى نقصها. تنضب الموارد الطبيعية للأرض مع نمو السكان. لذلك ، تحول الناس إلى مصادر الطاقة المتجددة ، والتي يمكن استخدامها لحل أزمة الطاقة التي لا مفر منها. الطاقة الحرارية الأرضية ، والطاقة الشمسية ، والطاقة الكهرومائية - كل هذه مصادر طاقة متجددة ، وغير محدودة تقريبًا (على مستوى حياة الإنسان). ولكن هناك مصدر آخر يسمى كتاب الخيال العلمي وليس العلماء. هذا هو الرجل نفسه. ولكن لا أحد سيربط مجموعة من الأسلاك بجسم الإنسان ويضعها في كبسولات مع "هلام". تستند النظرية التي سيتم مناقشتها اليوم على استغلال التأثير الاحتكاكي ، والذي سيسمح للشخص أن يصبح مصدرًا للطاقة للأجهزة القابلة للارتداء (الساعات والهواتف وما إلى ذلك). دعنا نحاول معرفة جوهر هذه الدراسة. دعنا نذهب.

الأساس النظري

كما ذكرنا سابقًا ، قبل بضعة أسطر فقط ، فإن التأثير الكهربي للكهرباء * هو أساس هذه الدراسة النظرية.

التأثير الكهربي للكهرباء * هو ، بكلمات بسيطة ، ظهور الشحنات الكهربائية بسبب الاحتكاك.

كان وجود هذه الظاهرة الفيزيائية معروفًا في اليونان القديمة. طاليس ميليتوس هو مؤلف مراقبة الكهرباء الاحتكاكية عن طريق فرك الكهرمان بالصوف ، والذي حصل الأول على القدرة على جذب الأشياء الصغيرة (الشعر والورق وما إلى ذلك). في وقت لاحق ، كانت النسخة اليونانية من كلمة "العنبر" (ἤλεκτρον - klektron) بمثابة الأساس لكلمة "الكهرباء". ومع ذلك ، في تلك الأيام لم يعرفوا الكثير عن الكهرباء وأنواعها وخصائصها. مرت قرون عديدة حتى بدأت عملية الدراسة المنهجية لهذه الظاهرة.


طابع بريدي (1994 ، اليونان) مع صورة طاليس ميليتوس والعنبر ، يجذب قلمًا بسبب تأثير كهرباء الاحتكاك.

كيف يظهر تأثير الاحتكاك الكهربائي في الممارسة العملية؟ كل شيء بسيط للغاية. إذا قمت بفرك شيئين ضد بعضهما البعض ، فسوف نحصل على كهرباء ثابتة بسبب هذا التأثير بالذات. كل شيء يحيط بنا يتكون من ذرات ، في وسطها نواة موجبة الشحنة محاطة بالإلكترونات. بسبب التفاعل بين الذرات ، إذا كان جذب الذرات في جسم واحد أكثر قوة ، فإن إلكترونات الثانية تبدأ في التحول نحو الأول. وهكذا ، يكتسب جسم واحد الإلكترونات ، ويفقد الآخر الآخر ، وهو حدوث شحنات ثابتة.


يشرح هذا الفيديو بوضوح مبدأ التأثير الكهربي ، ويظهر أيضًا التجربة التي يمكنك تكرارها في المنزل.

بطبيعة الحال ، ليست كل المواد متشابهة. البعض يتراكم بشكل أفضل شحنة موجبة ، والبعض الآخر سلبي. لذلك ، يتم وضع المواد المعرضة لتأثير تأثير كهرباء الاحتكاك في ما يسمى بسلسلة كهرباء الاحتكاك (من إيجابي إلى سلبي).

لكن تأثير الاحتكاك الكهربائي ليس سوى جزء من الدراسة. بالإضافة إلى ذلك ، تلعب مولدات النانو دورًا مهمًا - وهي أجهزة قادرة على تحويل الطاقة الميكانيكية أو الحرارية إلى كهرباء. إن مولد النانو ذو التأثير الاحتفالي (TENG) ليس قديمًا مثل تجربة تاليس كهرمان ، وقد تم عرضه لأول مرة في عام 2012.

إن جمع الطاقة باستخدام هذا الجهاز المعجزة صناعة واعدة للغاية ، لذلك ، تقوم العديد من مجموعات البحث بتطوير طرق جديدة لتنفيذ هذه التقنية. تخيل فقط: أنت تتجول في المدينة ، ويتم شحن هاتفك بسبب حركتك. يبدو الأمر رائعًا جدًا ، ولكن هناك عدد من المشاكل التي لم نكتشفها بعد ، لذلك لا نرى حتى مجموعة متنوعة من مولدات النانو على رفوف متاجر الإلكترونيات لكل ذوق.

أساس الدراسة

كان الهدف الرئيسي من الدراسة هو تحديد خصائص وخصائص المولدات النانوية على أساس التأثير الاحتكاكي الكهربائي ، وكذلك التبرير النظري لمشاكل تطبيق هذه التكنولوجيا.


مخطط TENG.

يشير الباحثون إلى أن سطحًا واحدًا كهربيًا غير موصل واحد على الأقل موجود في TENG ، وهذا هو السبب في أن ممانعته الداخلية (معاوقته) عالية جدًا. وعندما تتحرك الطبقات الاحتكاكية ، يمكن أن تزيد أكثر. ونتيجة لذلك ، من الممكن استخراج الطاقة المطلوبة بشكل فعال من TENG من خلال حمل خارجي فقط في حالة مقاومة الحمل العالية.

لا تلبي الغالبية العظمى من الأجهزة هذه المتطلبات ، ولهذا السبب ستفقد حصة رائعة من القوة المفيدة المحتملة ، بسبب عدم تطابق المعاوقة.

يجادل العلماء في أن فهم خصائص تحويل الطاقة ونقل الطاقة على أساس التغيرات في المعاوقة هو الأساس لتحسين أجهزة TENG.

هندسة التثبيت التجريبي

هناك العديد من الآليات لتشغيل المولدات النانوية. في هذه الدراسة ، تم استخدام نموذج فصل الاتصال العمودي.


مخطط طبقات الاحتكاك.

في الرسم البياني أعلاه ، نرى طبقتين TENG مع شحنات موجبة وسالبة. تتكون كل طبقة من عدة مكونات: قاعدة في ₂ O ₃ / Ag / Au (طبقة فرعية زرقاء) ، PET - بولي إيثيلين تيريفثاليت (طبقة فرعية برتقالية) و PDMS (PDMS) - بولي ميثيل سيلوكسان (طبقة فرعية خضراء). كان حجم الطبقات 50 × 50 مم ، وسمك 0.22 مم من الطبقة الأولى و 0.2 مم من الطبقة الثانية.

كانت كثافة الشحنات الكهربائية الاحتكاكية 40.7 درجة مئوية / م ^-2 (درجة مئوية - ميكروبولوم). وكان ثابت العزل الكهربائي يساوي: 3.24ε ₀ للطبقة الأولى و 3.3ε ₀ للطبقة الثانية ، حيث ε ₀ هو ثابت العزل الكهربائي للمساحة الفارغة.


مظهر الإعداد التجريبي.

يتكون التركيب الموضح في الصورة أعلاه من محرك خطي وقاعدة متحركة وعوازل وطبقتين TENG ومستشعر للحمل ووصلات كهربائية.

يقع هذا التركيب في غرفة بدرجة حرارة 20 درجة مئوية ورطوبة نسبية 55٪ (كلما انخفضت الرطوبة ، كان نقل الشحنات أفضل ، كما هو موضح في الفيديو). سمح المحرك للطبقات بالتلامس مع فترات زمنية معينة. كلما زاد عدد هذه الاتصالات (الاحتكاك) ، ارتفع مؤشر كثافة الشحن. تم إجراء ما مجموعه 3000 لمسة طبقة في هذه التجربة.

تحليل النتائج

بعد التجارب ، قام العلماء بجمع جميع البيانات وتحليلها وتصنيفها لعدد من العوامل التي تؤثر على تشغيل أجهزة TENG:

• الحركة: التردد والسعة وطرق الاتصال / عدم الاتصال ؛
• الجهاز: خصائص المواد وأبعاد جهاز TENG.

والآن أكثر قليلاً عن كل منهما.

التردد



الرسم البياني أعلاه ( أ ) هو مقارنة لمؤشرات قدرة الذروة لنموذج DDEF النظري (المجال الكهربائي المعتمد على المسافة) ونظرية طبقات TENG بترددات مختلفة (من 0.1 هرتز إلى 1000 هرتز). في المقابل ، يوضح الرسم البياني ( ب ) مقارنة بين بيانات نموذج DDEF ، ونظرية طبقات TENG بالإضافة إلى البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها تجريبيًا بتردد يتراوح من 0.1 هرتز إلى 10 هرتز.

من الواضح أنه مع زيادة التردد ، تزداد قوة الخرج أيضًا. ومع ذلك ، فإن التردد الفعلي في الممارسة يقتصر على علم وظائف الأعضاء البشرية (وبعبارة أخرى ، لا يمكننا التحرك مثل الشيطان التسماني من لوني تونز). ومع ذلك ، لا يشعر الباحثون بالضيق ، حيث توجد طريقة لتحويل الترددات المنخفضة إلى ترددات أعلى. على سبيل المثال ، منظم ميكانيكي يتكون من نابض لولبي ، ناقل حركة ، آلية كامة وحدافة. بهذه البساطة ، بالنظر إلى التفاصيل المذكورة أعلاه ، فإن الجهاز قادر على تقديم تردد 50 هرتز. (يستشهد الباحثون بعمل Divij Bhatia ، المتاح للتنزيل هنا ).

اتضح أن هناك طرقًا بسيطة وفعالة لزيادة التردد ، وبالتالي قوة الخرج. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن التردد أيضًا لا يمكن أن يكون أكبر من مستوى معين (10 غيغاهرتز) ، والذي يرتبط بخسائر عازلة تحدث في الترددات العالية.

السعة

من أجل التحقق من كيفية تأثير اتساع الحركات على مؤشرات قدرة الخرج ، تم تعيين مستوى التردد على 1 هرتز ، كثابت ، بحيث لا تؤثر هذه المعلمة على قياس تأثير السعة الحصرية.



يتم عرض رسمين بيانيين أعلاه: النتائج النظرية والتجريبية. يشبه الاتجاه في البداية زيادة في التردد ، أي أن طاقة الخرج تزداد مع زيادة السعة. ومع ذلك ، عند الوصول إلى مستوى معين (1 مم) ، فإنه يبدأ في الانخفاض. وبالتالي ، فإن اتساع الحركة عامل غير مستقر للغاية. بتعبير أدق ، هذه معلمة ذات نطاق ضيق ، لأنه مع السعة المنخفضة جدًا أو العالية جدًا لن نحصل على النتيجة المرجوة. يعتزم العلماء إجراء مزيد من الدراسة بمزيد من التفصيل لتأثير السعة على توليد الطاقة الناتجة ، بالإضافة إلى إيجاد طرق لتحسين هذا العامل.

طرق القيادة الاتصال / عدم الاتصال

يجب أن تلمس طبقات الاحتكاك الكهربائي أثناء دورات الحركة ، أليس كذلك؟ تقريبا. تعمل بعض الأجهزة في وضع عدم الاتصال عندما تكون مشحونة بالكامل. وبالتالي ، من الضروري التحقق من كيفية تأثير المسافة بين الطبقات على نتيجة جهاز TENG. أثناء الاختبار ، كان التردد 1 هرتز ، وكان السعة 1 مم ، مرة أخرى ثوابت ، حتى لا تتداخل مع التحقق من المعلمة المطلوبة.



ومرة أخرى نلاحظ رسمين بيانيين (النظرية والتجربة). من المنطقي أن تبدأ الزيادة في الفجوة بين طبقات طاقة الإخراج في الانخفاض. انخفضت القيم من 30430 إلى ≈150 nA (nanoamperes) عندما وصلت الفجوة 500 ميكرومتر. في هذه الحالة ، زادت المقاومة من 1 GOhm (gigaohm) عند كسر 0 إلى 5 GOhm عند كسر 500 ميكرومتر.

ومرة أخرى ، يمنع الواقع القاسي العلماء من بناء القلاع السحابية. الاستنتاج بسيط - المسافة بين طبقات TENG العاملة هي معلمة حاسمة. بتعبير أدق ، غياب المساحات الهوائية بينهما. من الواضح أنه في عملية الفصل ، تتباين الطبقات ، إذا جاز التعبير ، ولكن لا ينبغي أن يكون هناك هواء بينهما. يمكن حل هذه المشكلة ، على سبيل المثال ، باستخدام البوليمرات مثل polydimethylsiloxane في بنية TENG.

في الختام ، يمكن ملاحظة أن السعة والتردد يجب ألا يكونا أعلى من مستوى الحد ، وكذلك المسافة بين الطبقات ، لكي يعمل النظام بكفاءة. هذه قيود قوية جدًا ، في الواقع. ومع ذلك ، تعمل العديد من مجموعات البحث ، بما في ذلك هذه المجموعة ، على تقليل تأثير هذه المعلمات على أداء أجهزة TENG.

الآن دعنا ننتقل إلى النظر في ما يجب أن تكون عليه الأجهزة نفسها من أجل الاستفادة الكاملة من جميع مزايا تقنية TENG. لدور مهم في تشغيل أي جهاز لا تلعبه الظواهر المادية فحسب ، بل أيضًا من ماذا وكيف يتم صنع الجهاز. كما يقولون ، بغض النظر عن مقدار رمي الرمح من الورق المعجن ، فإنه لن يطير بعيدًا عن الرمح العادي.

خصائص المواد

دعونا نذكر أنفسنا بأن كثافة الشحنات الاحتكارية تعتمد بشكل مباشر على عدة عوامل: السلسلة الاحتكارية (كلما زادت المواد عن بعضها البعض ، كلما تفاعلت بشكل أفضل ، وهذا مذكور في الفيديو أعلاه) ، وهيكلية الأسطح الكهربائية الاحتكارية ، ومنطقة الاتصال تحت تأثير القوة المطبقة ، والعوامل البيئية .

للتحقق مما وكيف يؤثر على ما ، تم استخدام نموذج DDEF للحركة الجيبية (التردد = 1 هرتز ، السعة = 1 مم) ، في حين تتزامن معلمات الجهاز مع تلك الموجودة في تجربة عملية.

يوضح تحليل البيانات أن مؤشر قدرة الخرج يزداد مع زيادة كثافة الشحن. في هذه الحالة ، لا تتغير الممانعة الداخلية عندما تتغير كثافة الشحن.

لكن التغييرات في المعلمات البيئية ، مثل الرطوبة ودرجة الحرارة والضغط ، تؤثر بشكل طبيعي على كثافة الشحن ، مما يجعل هذا المؤشر غير مستقر. إذا كان الجهاز يعمل في بيئة محكومة ، فمن الممكن الحفاظ على استقرار هذا المؤشر. بالطبع ، هذا أمر محزن للغاية ، لأنه من الناحية العملية لن نستخدم أجهزتنا إلا في ظروف معينة. لذلك ، أرسل العلماء هذه اللحظة أيضًا لمزيد من التحسين والبحث.

لاحظ العلماء أيضًا أن هذه التجربة النظرية ، على الرغم من أنها تظهر علاقات حية ، من الصعب للغاية تنفيذها عمليًا ، لأن تغيير معلمة المادة في الواقع يعني استبدال المادة نفسها ، مما يعني تغيير جميع الخصائص الأخرى.

الأبعاد المادية

عندما يتعلق الأمر بالأجهزة المحمولة ، نتفهم أن الأجزاء المكونة لها يجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان (آسف للتورية). ولكن هناك حد معين ، خط ، تجاوزنا أننا نضحي بالكفاءة من أجل الحجم الصغير.



يمثل الرسمان البيانيان أعلاه نتائج قياس الطاقة الناتجة عند تغير سمك طبقة PDMS (النظرية على اليسار والتجربة على اليمين). مع زيادة سمك PDMS ، ينخفض ​​مؤشر طاقة الإخراج. تم تأكيد هذا الاتجاه النظري في الممارسة العملية ، كما يمكن رؤيته إذا قارنا كل من الرسوم البيانية.

يجب أن يمتد المجال الكهربائي الذي يحتوي على سطح مشحون لطبقة TENG إلى مسافة أكبر عندما يكون سمك PDMS أكبر من أجل الوصول إلى واجهة القطب الكهربائي العازل ، حيث يحدث تحريض شحنات الإخراج. هذا يؤدي إلى إضعاف المجال الكهربائي ، مما يؤدي لاحقًا إلى انخفاض في طاقة الإخراج وزيادة في المعاوقة. لذلك لم يتم تطبيق مبدأ "كلما كان ذلك أفضل" هنا.



عند تغيير طول الوضع يختلف. تزداد قوة الخرج عند إطالة الجهاز ، إذا قارنت الأشكال أعلاه بطول 50 مم و 1000 مم. هذا أمر جيد ، لأن المزيد من المساحة - المزيد من القوة. ومع ذلك ، بالنسبة للأجهزة المدمجة ، التي تهدف أجهزة TENG بشكل أساسي إلى شحنها ، فإنه لا يمكن أن يطلق عليها مثل هذا إذا كان طولها مترًا.

يمكن العثور على تفاصيل الدراسة (النماذج النظرية والصيغ والحسابات وما إلى ذلك) في تقرير العلماء وفي قارات إضافية إليه.

الخاتمة

هدفت هذه الدراسة إلى وصف خصائص وعوامل التأثير الهامة وخصائص مولدات النانو الكهربائية. يقول الباحثون أنفسهم إن عملهم يجب أن يساعد في التطورات المستقبلية لأجهزة TENG ، لأنه يشير بوضوح إلى مزايا وعيوب هذه التكنولوجيا. وكما نرى ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به حتى نتوقف أخيرًا عن القلق من أن أجهزتنا القابلة للارتداء سيتم تفريغها أثناء المشي.

لطالما كانت الطاقة قيمة للبشرية ، بغض النظر عن نوعها. ولكن إذا قمنا في وقت سابق بتنظيف ما يمنحنا إياه الكوكب ، فإننا الآن بحاجة إلى البحث عن طرق لتوليد الطاقة ، وهو ما يكفي للجميع. إنه لأمر مؤسف أن حقيقة أننا ببساطة استنفدنا الموارد الطبيعية أصبح حافزًا لبدء مثل هذا البحث. كما قال أحدهم (لا أتذكر من): لماذا لا تشارك كل شيء بين الجميع؟ ولكن لأن هناك القليل ، ولكن الكثير. دعونا نأمل أن يتغير هذا الأمر في مسائل الطاقة عاجلاً أم آجلاً.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟