Трибоэлектрический эффект. Принцип действия и особенности

Так называемый «трибоэлектрический эффект» проявляется в образовании электрических зарядов на поверхностях некоторых видов трущихся друг о друга тел. Это явление по сути своей – разновидность контактной электризации, известной человечеству с древних времен.

Типичный пример такого эффекта – опыт с трением эбонитового предмета о кусочек шерстяной ткани, известный многим людям по школьному курсу физики. Примерно такой же эксперимент с янтарной палочкой проводил древнегреческий философ Фалес Милетский.

При каких условиях проявляется трибоэлектрический эффект

Материалы, способные к трибоэлектрическому эффекту, подразделяются на две большие группы. К одной относятся предметы, на поверхности которых при трении образуется положительный заряд, а другие после этой процедуры заряжаются отрицательным статическим электричеством. К ним относятся такие распространенные материалы, как тефлон, шерсть, нейлон, вискоза, хлопок, а также полиэтилен, стекло и каучук.

Первым так называемый «трибоэлектрический ряд» материалов в 1757 году составил и представил на обозрение публики физик из Швеции И. К. Вильке.

При рассмотрении классического примера со стеклянной палочкой и кусочком шерстяной ткани нередко возникают закономерные вопросы. Многим не совсем понятно, каким образом на их поверхности образуется статическое электричество, если стекло считается хорошим диэлектриком (изолятором).

Triboelektricheskii effekt 2

Разъяснить ситуацию поможет понимание того, что заряды в данном случае возникают не во внутренней структуре диэлектрика (эбонита или стекла). Они скапливаются на поверхности не проводящих ток материалов. Для получения нужного эффекта при трении важно установить надежный контакт между двумя материалами, прижимая их как можно плотнее один к другому.

Также отмечается, что на этом эффекте основывается работа трибоэлектрических генераторов капельного типа, извлекающих энергию из материи благодаря трению частиц влаги о поверхность сосуда при отрыве:

Triboelektricheskii effekt 3

Предметы, не имеющие заряда.
Соприкосновение.
Перераспределение заряда.
Разъединение.
Электрическое поле, образуемое статикой.

Трибоэлектрический эффект всегда наблюдается при трении следующих пар различных или одинаковых материалов:

Полупроводник-полупроводник.
Диэлектрик-диэлектрик.
Металл-металл (при различной плотности структуры).
Металл-диэлектрик.
Жидкий диэлектрик-металл.
Твердый диэлектрик и его жидкий аналог.

Из этих сочетаний становится понятным, почему цистерны бензовозов подлежат обязательному заземлению. При перевозке и тряске бензин электризуется о стенки емкости, что угрожает появлением разрядной искры и пожаром с угрозой взрыва.

В случае плотного контакта двух диэлектриков, рассмотренных, например, в примере со стеклом и шелком они электризуются за счет поверхностной диффузии носителей заряда. Причина эффекта – в неравномерном распределении этих частиц в поверхностном слое этих материалов.

Такие явления характерны для тел с аморфной структурой, в которых отсутствует «классическая» кристаллическая решетка. В них атомы и электроны не локализованы и движутся неупорядоченно. По этой причине они распределяются внутри тела неравномерно и могут образовывать свободные заряды. При сохранении этих условий и появлении внешнего воздействия (трения) движение электронов становится направленным, что приводит к разделению зарядов.

Существует целый ряд закономерностей, сопровождающих трибоэлектрический эффект. Они впервые были сформулированы в виде правил Коэна, суть которых заключается в следующем:

При трении вещество со значительной по величине диэлектрической проницаемостью будет отдавать больше электронов.
В результате оно зарядится положительно.
Второй диэлектрик в этой паре соответственно будет заряжен отрицательно.

Но существуют и исключения из этого правила (например, шелк в паре со стеклом).

Объяснения явления электризации в различных по структуре телах

Трибоэлектрический эффект, возникающий в твердых телах, объясняется следующим образом. Носители заряда (электроны) согласно основному электрическому закону перемещаются от точек с более высоким потенциалом в сторону меньшего.

У полупроводников и металлов эффект объясняется перемещением электронов от материала с меньшей степенью связи к тому предмету, в котором созданы условия для образования новых свободных частиц. Например, при трении диэлектриков они появляются за счет взаимного перемещения электронов и ионов.

Значительный вклад вносит температурный фактор. Нагрев трущихся тел приводит к увеличению энергии элементов в пограничной зоне, за счет чего возникает дополнительный электрический потенциал.

В ситуации с жидкими средами трибоэлектрический эффект объясняется образованием поверхностного заряда на границе раздела тел, находящихся в различных агрегатных состояниях. 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. Последняя состояла в желании повысить мощность и стабильность генерации заряженных частиц с использованием принципов нанотехнологий.

С этой целью применялись современные методы магнитного возбуждения с помощью специального оборудования (индукционных генераторов, в частности). По окончании исследований выяснилось, что при грамотно разработанной и отстроенной схеме умножения, совмещенной с внешним возбудителем, можно достичь показателя плотности заряда порядка 1,25 мКл на м². Достигаемая при этом электрическая мощность пропорциональна указанной величине, возведенной в квадрат.

Представленная разработка открывает перспективы для создания трибоэлектрических наногенераторов, которые в перспективе могут использоваться для зарядки портативных приборов (девайсов). Экономичность этого решения не вызывает сомнений, поскольку энергия добывается из каждодневных механических движений конечностей человека.

Предполагается, что в будущем такие генераторы смогут иметь следующие достоинства:

Практически неощутимый вес.
Простота создания.
Сравнительно низкая стоимость.

Добавим к этому возможность использования доступных материалов, эффективность функционирования которых максимальна на частотах порядка1-4 Гц.

Схемы наногенераторов

К наиболее перспективным решениям по созданию таких генераторов относят схему с внешней накачкой статических зарядов, когда часть вырабатываемой энергии используется для увеличения их распределенной плотности. В этом варианте исполнения разработчики попытались разделить функции отдельных компонентов и воздействовать на генерацию без участия трибоэлектрического слоя (с помощью специальных электродов).

При проведении экспериментов американские специалисты учитывали влияние на эффективность генерации таких внешних факторов, как:

Тип и толщина диэлектрика.
Материал электродов.
Частота возбуждения.
Влажность среды и т. п.

Сегодня встречаются наногенераторы с трибоэлектрическим слоем (ТЭНГ) на основе диэлектрической пленки толщиной 5 мкм с электродами, изготавливаемыми из меди или алюминия. Специфика современных изделий заключается в том, что примерно через минуту на частоте порядка 1 Гц поверхностный заряд накапливается в достаточном количестве. Полученный результат позволяет надеяться на создание перспективного генератора, способного решать целый ряд практических задач.