Пьезоэффект

Что это такое?

При запросе наногенератор купить гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. наногенератор, который они продают это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку нано, которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка нано отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество.

Наногенератор это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.

Пьезоэлектрический наногенератор

Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки - проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой - положительный.

Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки Про CVD и Электроспиннинг:

Из недавних разработок можно выделить IENG. IENG может выдавать максимальный пиковый ток короткого замыкания 320 мкА и соответствующую плотность тока 290 мкА/см^2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.

Пироэлектрический наногенератор

В таких наногенераторах используется два физических явления это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека - это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье

Про пьезоэлектрический эффект при нагреве Янтарь классический пример пироэлектрика

Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.

Схема работы пироэлектрика: Ag серебро, ITO - Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры.

В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.

Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG

Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов - это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей. К тому же само трение ведет к разрушению поверхностей. Совсем недавно, 11 марта исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) сообщили о своей разработке наногенератора, основанного на трение твердой поверхности и воды WT-TENG.

пример работы 150 светодиодов от WT-TENG

Размер полученного генератора сравним со средним пальцем. Со слов исследователей, характеристики у WT-TENG следующие: 9 микрокулонов на м^3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.

Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:

Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:

Выглядит крипово...

Эпилог

Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.