Статическое электричество известно людям тысячелетия. Еще до нашей эры древнегреческие ученые и ювелиры заметили, что если потереть янтарь о шерстяную ткань, он получит возможность притягивать к себе легкие предметы, такие как нить, волосы и перья. Греки называли янтарь «электрон» (ἤλεκτρον). От этого слова впоследствии произошел термин «электричество». Однако долгое время статическое электричество особо не находило применения и оставалось не более чем забавным феноменом, а физические принципы, лежащие в основе явления, не получали разгадки.
В современном мире статическое электричество нашло множество сфер применения. Одним из наиболее интересных направлений его использования стала разработка трибоэлектрических наногенераторов (TENG), в основе которых лежат два фундаментальных физических явления: контактная электризация (возникновение статических зарядов при трении или соприкосновении разнородных материалов) и электростатическая индукция (явление наведения собственного электрического поля в проводнике под действием внешнего электрического поля).
Трибоэлектричеством, составляющим часть названия таких наногенераторов, называют явление возникновения электрических зарядов при трении двух тел, причем этими телами могут быть диэлектрики, полупроводники и металлы одинакового или различного химического состава, но разной плотности.
В результате трибоэлектрического эффекта электризуются оба тела, а возникающие на их поверхности заряды равны по величине и противоположны по знаку.
Благодаря этим двум фундаментальным физическим явлениям трибоэлектрический наногенератор способен питать датчики и носимую электронику, используя механическую энергию от шагов, прикосновений, вибраций или ударов капель дождя для получения электроэнергии.
В данной статье мы рассмотрим, как устроены трибоэлектрические наногенераторы, какие физические принципы лежат в основе их работы и каковы перспективы их применения в современной робототехнике.
Электризация трением (трибоэлектрический эффект)
Наэлектризовать тело с помощью трения на первый взгляд безумно просто. Как известно ещё со школьной скамьи, достаточно взять пластмассовую расчёску и потереть её о волосы. Часть наиболее подвижных электронов переходит с волос на расчёску, заряжая её отрицательно, волосы при этом заряжаются положительно. Однако объяснить этот простой на первый взгляд эффект оказалось отнюдь не легко. Главный вопрос заключался в том, как электроны могут перемещаться в изоляторах, где, казалось бы, нет свободных носителей заряда?
Современная физика объясняет явление электризации трением наличием объёмного заряда тел. Любой реальный кристалл не идеален. В нём всегда присутствуют дефекты кристаллической решётки — вакансии (незаполненные узлы), дислокации, примесные атомы. Именно эти дефекты и играют ключевую роль в электризации.
Рассмотрим механизм электризации на примере ионного кристалла LiF (фторида лития). При его формировании в решётке могут возникать вакансии — места, где отсутствует ион лития или фтора. Если количество положительных и отрицательных вакансий неодинаково, кристалл оказывается заряженным по объёму. Однако такой заряд быстро нейтрализуется за счёт притяжения противоположно заряженных ионов из воздуха. На поверхности кристалла образуется тонкий нейтрализующий слой.
Ключевой момент заключается в том, что у разных материалов этот поверхностный компенсирующий слой может отличаться. Когда два тела приводятся в тесный контакт (при трении), эти поверхностные слои «перемешиваются», и их избыточные заряды перераспределяются. В результате оба тела оказываются заряженными — одно положительно, другое отрицательно.
Стоит отметить, что учёные до сих пор спорят об общем принципе электризации тел. Единой, полностью доказанной теории, охватывающей все случаи контактной электризации (от металлов до полимеров), не существует. Вероятно, полный и непротиворечивый ответ на этот вопрос все ещё не найден.
Электростатическая индукция в TENG
Электростатическая индукция — это перераспределение свободных электронов в проводниках под действием внешнего электрического поля. В TENG это явление работает следующим образом.
После контакта двух диэлектриков (например, тефлона и нейлона) на их поверхностях остаются трибоэлектрические заряды: тефлон заряжается отрицательно, нейлон — положительно. Эти заряды неподвижны и создают вокруг себя электрическое поле. Металлические электроды находятся на обратных сторонах диэлектриков и соединены между собой внешней цепью.
Когда диэлектрики начинают расходиться, электрическое поле, создаваемое их поверхностными зарядами, меняется во времени. Это изменяющееся поле индуцирует движение электронов по внешней цепи между электродами — возникает электрический ток. Ток течёт до тех пор, пока диэлектрики движутся. Когда движение прекращается, поле становится постоянным, и ток исчезает.
При сближении диэлектриков поле изменяется в противоположную сторону, и электроны начинают течь обратно, создавая ток противоположной полярности. Таким образом, за один полный цикл «расхождение — сближение» TENG генерирует два разнонаправленных электрических тока. На выходе устройства получается переменный ток, частота которого определяется скоростью механического движения диэлектриков.
Четыре типа трибоэлектрических наногенераторов
Трибоэлектрические наногенераторы классифицируют по способу относительного движения трущихся поверхностей и расположению электродов. Выделяют четыре базовых режима работы, которые были предложены и систематизированы в первых работах по TENG.
• Режим вертикального контакта‑разделения (Vertical Contact‑Separation Mode) — самый простой и наиболее распространённый тип TENG. Две плоские поверхности с диэлектрическими покрытиями и металлическими электродами движутся перпендикулярно друг другу: сближаются (контакт) и расходятся (разделение). При контакте поверхности заряжаются трибоэлектрически за счёт перехода электронов между материалами с разной электроотрицательностью. При их разведении возникает разность потенциалов, которая заставляет свободные электроны перетекать между электродами через внешнюю нагрузку. При сближении процесс повторяется в обратном направлении, и ток течёт противоположно.
• Режим латерального скольжения — это принцип работы TENG, при котором две поверхности движутся параллельно друг другу с трением. Одна из поверхностей может иметь микроструктуру (например, набор параллельных канавок), обеспечивающую периодическое изменение площади контакта, что приводит к перераспределению зарядов и возникновению электрического тока.
• Режим одиночного электрода — это структура TENG, в которой используется только один электрод, соединённый с землёй. Вторым «электродом» служит заземление, а движущаяся заряженная поверхность не имеет электрического соединения с устройством. При приближении заряженной поверхности к электроду возникает ток между электродом и землёй, а при удалении — ток противоположного направления. Это один из наиболее простых типов TENG.
• Режим свободного слоя — это принцип работы TENG, при котором система состоит из двух неподвижных электродов, размещённых на одной плоскости, и движущегося «свободного» слоя (диэлектрика), который скользит или перемещается над ними. Когда свободный заряженный слой перемещается от одного электрода к другому, разность потенциалов между электродами изменяется. Это вызывает перемещение электронов по внешней цепи между электродами для компенсации потенциалов, создавая электрический ток.
Помимо четырёх базовых режимов, активно развиваются гибридные конфигурации, объединяющие несколько режимов в одном устройстве, а также твёрдо‑ жидкостные TENG, в которых одна из поверхностей заменена жидкостью.
Перспективы развития и сферы применения трибоэлектрических наногенераторов
Трибоэлектрические наногенераторы (TENG) сегодня находятся на пороге масштабного внедрения в различные отрасли. Основное преимущество этой технологии заключается в способности преобразовывать механическую энергию в электрическую — от шагов человека и вибраций оборудования до ударов морских волн. Однако широкая коммерциализация TENG требует решения ряда фундаментальных задач, которые активно изучаются современными исследовательскими группами.
Одним из наиболее перспективных направлений применения TENG является создание самопитающихся сенсорных систем. Эти устройства генерируют высокое напряжение при крайне малом токе, что делает их недостаточными для зарядки аккумуляторов, но полностью достаточными для передачи сигнала от датчика. В результате сенсорные системы на основе TENG практически не потребляют энергию в режиме ожидания и активируются только при получении сигнала, что позволяет им функционировать годами без замены батарей.
В области робототехники TENG открывают принципиально новые возможности. Сенсоры на их основе позволяют роботам «чувствовать» касания, давление и вибрации без затрат энергии на работу самих сенсоров. Ведутся разработки мягких роботизированных захватов, которые при взаимодействии с объектом одновременно измеряют усилие и генерируют электричество.
Заключение
Трибоэлектрические наногенераторы доказали свою состоятельность как технология, способная превращать механическую энергию движений в электричество без сложных и дорогих компонентов. Четыре базовых режима работы — вертикальный контакт‑разделение, латеральное скольжение, одиночный электрод и свободный слой, позволяют адаптировать TENG под самые разные условия: от нажатия кнопки до ходьбы гуманоида. Простота конструкции и возможность интеграции в гибкие материалы делают TENG идеальным решением для самопитающихся сенсорных систем, где ключевое значение имеет не мощность, а способность генерировать сигнал без внешнего источника энергии.
В робототехнике трибоэлектрические наногенераторы открывают новую парадигму энергоснабжения. Вместо того чтобы оснащать робота тяжёлыми и требующими замены батареями, TENG можно встроить прямо в подвижные элементы. Сами по себе они не обеспечат робота энергией в полной мере, но обеспечат электроэнергией его отдельные сенсорные системы. Каждое движение сустава робота, каждый шаг или прикосновение потенциально могут стать полноценным источником энергии. Технология, основанная на электризации тел, которую ещё недавно считали не более чем забавным физическим явлением, постепенно превращается в полноценный инструмент инженеров, создающих передовые роботизированные системы будущего.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1053240/