摩擦生電與電磁感應(yīng)發(fā)電作用機(jī)制分析概述目錄TOC\o"1-2"\h\u16759摩擦生電與電磁感應(yīng)發(fā)電作用機(jī)制分析概述 1195691.1摩擦生電作用機(jī)制 1169131.2電磁感應(yīng)發(fā)電作用機(jī)制 7摩擦-電磁復(fù)合采集器是將摩擦發(fā)電與電磁發(fā)電兩種方式耦合至同一能量采集結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)兩種換能機(jī)制同時(shí)對(duì)環(huán)境能源的轉(zhuǎn)化采集，達(dá)到兩種換能機(jī)制間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的，提高能量采集器對(duì)環(huán)境微弱能源的轉(zhuǎn)換效率，提升器件的輸出功率，為解決自供能節(jié)點(diǎn)供電難題提供了一種方案[59,60]。因此，通過對(duì)摩擦生電原理和電磁感應(yīng)理論的分析，優(yōu)化兩種換能機(jī)制的耦合方案，指導(dǎo)能量采集器的設(shè)計(jì)。1.1摩擦生電作用機(jī)制摩擦起電是生活中的常見現(xiàn)象，是生活中各種靜電荷的基本來源。摩擦電的產(chǎn)生是因?yàn)閮煞N材料在摩擦的過程中會(huì)有電荷的轉(zhuǎn)移，在表面形成電荷，而一種材料所帶電荷的符號(hào)與多少取決于與它接觸的材料之間的相對(duì)極性。通常認(rèn)為摩擦起電的物理機(jī)制是當(dāng)兩種材料發(fā)生接觸時(shí)，電荷會(huì)從一種材料中移動(dòng)到另一種材料中，轉(zhuǎn)移的電荷可能是電子，也可能是某些分子或離子。當(dāng)兩種相互摩擦的材料發(fā)生分離時(shí)，材料內(nèi)部之前的成鍵原子有的傾向于保留多余的電子，而有的則傾向于失去電子，這樣就在摩擦材料面產(chǎn)生了有極性的摩擦電荷。由于這種特性的存在，近些年來摩擦電逐步開始廣泛應(yīng)用到環(huán)境能源采集和自驅(qū)動(dòng)式傳感器中。針對(duì)摩擦電收集利用的研究，王中林教授等人于2012年首次報(bào)道了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）?？梢杂糜谑占D(zhuǎn)化微小尺度的環(huán)境能量作為電源，為低功耗電路、傳感網(wǎng)絡(luò)供電。而針對(duì)不同形式的能量來源，TENG也有四種不同可行的工作模式進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化和收集，具體包括：垂直接觸-分離模式[61]、水平滑動(dòng)模式[62]、單電極模式[63]、獨(dú)立層模式[64]。1.1.1垂直接觸-分離模式垂直接觸-分離模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)是各種工作模式發(fā)電機(jī)中較為基本的一種。采用介電常數(shù)不同的兩種材料作為摩擦材料，其中容易失電子的材料作為正性摩擦材料，易得電子的材料作為負(fù)性摩擦材料，兩種材料的背部都覆上金屬電極面對(duì)面堆疊而成，如圖2-1（a）所示，在該初始狀態(tài)下，兩種材料彼此不接觸，之間也沒有電荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，各自呈現(xiàn)電中性，兩電極之間沒有電勢(shì)差。其中電極可以是金、銀、銅、鋁等金屬材料，也可以是銀納米線、導(dǎo)電炭黑等納米材料甚至是導(dǎo)電復(fù)合物，并且電極也能夠在當(dāng)做電極的同時(shí)作為正性摩擦材料。當(dāng)兩種介電常數(shù)不同的材料在外部作用下相互接觸時(shí)，如圖2-1（b）所示，由于接觸起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)原理，在兩種材料間相接觸的平面會(huì)產(chǎn)生形成帶相反符號(hào)的表面電荷。當(dāng)外部的作用效果逐漸減弱時(shí)，兩種材料相接觸平面的兩個(gè)表面將發(fā)生分離，從而在兩個(gè)接觸面之間形成一個(gè)空氣間隙，在開路狀態(tài)下兩個(gè)電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差，若將兩個(gè)電極通過外部負(fù)載連接在一起，則形成一個(gè)閉合回路，自由電子從電勢(shì)較低的上電極流向下電極，在負(fù)載中形成與電子流動(dòng)方向相反的電流，如圖2-1（c）所示。當(dāng)外部作用逐步減小至完全撤銷時(shí)，如圖2-1（d）所示，回路中的電流也降為零。當(dāng)重新施加外部作用時(shí)，兩極板之間距離減小，上電極的電勢(shì)比下電極高，自由電子從下電極重新向上電極流動(dòng)，在回路中形成從上電極流向下電極的電流，如圖2-1（e）所示。直至兩種摩擦材料重新接觸，電流降為零，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷再次被完全中和。圖2-1垂直接觸-分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)原理圖Figure2-1Schematicdiagramofverticalcontact-separationtriboelectricnanogenerator1.1.2水平滑動(dòng)模式水平滑動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理與垂直接觸-分離模式的發(fā)電機(jī)相類似，不同的是外部作用由垂直方向變?yōu)樗椒较?，將兩種摩擦材料間的運(yùn)動(dòng)由垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻幕瑒?dòng)。初始狀態(tài)下，兩種摩擦材料表面完全重疊，相互緊密接觸。同樣由于介電常數(shù)不同的材料得失電子的能力差異，在兩種材料相接觸的表面會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷，因?yàn)槌跏紶顟B(tài)下兩種材料表面重疊，帶正電荷的表面和帶負(fù)電荷的表面間距可以忽略不計(jì)，所以在兩個(gè)電極之間沒有電勢(shì)差，如圖2-2（a）所示。當(dāng)上極板在外部作用下開始滑動(dòng)時(shí)，兩種材料之間的接觸面積開始減小，在接觸平面內(nèi)的電荷開始發(fā)生分離。從而使得下極板電勢(shì)高，上極板電勢(shì)低，電極內(nèi)部的自由電子在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下由上電極向下電極轉(zhuǎn)移，形成與電子流向方向相反的電流，如圖2-2（b）所示。直到上極板完全滑離下極板，器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電荷平衡，電荷停止轉(zhuǎn)移，電流為零，如圖2-2（c）所示，。當(dāng)上極板重新滑回下極板，并與之接觸面積不斷增加時(shí)，接觸表面間的正負(fù)電荷發(fā)生中和，上下電極間多余的電荷通過外部電路發(fā)生移動(dòng)，由于上極板的電勢(shì)高，下極板的電勢(shì)低，自由電子由下電極流向上電極，在外部電路中形成由上向下的電流，如圖2-2（d）所示。圖2-2水平滑動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī)原理圖Figure2-2Schematicdiagramofhorizontalslidingtriboelectricnanogenerator1.1.3單電極模式單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理是在垂直接觸-分離式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之上減少了一個(gè)電極，可解決電極的接線問題以及接線在運(yùn)動(dòng)過程中的可靠性問題，以及為一些難以在兩種材料上都使用電極接線的環(huán)境和條件提供了一種解決方案。單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)只需要使用一個(gè)電極附在一種材料的背面，另外采用一個(gè)電極作為電勢(shì)的參考電極，兩種介電材料無需連接任何導(dǎo)線。單電極模式的納米發(fā)電機(jī)電荷的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移過程如下圖2-3所示。圖2-3單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)原理圖Figure2-3Schematicdiagramofsingleelectrodetriboelectricnanogenerator其中，主電極同時(shí)作為介電材料和電極，而介電材料則無需使用電極和引線。初始狀態(tài)如圖2-3（a）所示，介電材料和主電極相互接觸，在兩種材料的接觸面產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷。當(dāng)介電材料在外部作用下與主電極間產(chǎn)生一定的間隙時(shí)，將會(huì)在主電極和參考電極間產(chǎn)生電勢(shì)差，當(dāng)主電極和參考電極之間由外部電路相連接時(shí)，將在外部電路中產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電流，如圖2-3（b）所示。當(dāng)介電材料距離主電極足夠遠(yuǎn)時(shí)，主電極上一半的正電荷被參考電極轉(zhuǎn)移的電子中和，兩電極間的電勢(shì)相等，不再發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，如圖2-3（c）所示。當(dāng)介電材料在外部作用下再次向主電極靠近時(shí)，間隙的減小將使主電極比參考電極有一個(gè)更低的電勢(shì)，電子將從主電極向參考電極轉(zhuǎn)移，形成從下至上的電流，當(dāng)介電材料再次與主電極接觸時(shí)，主電極和介電材料上的電荷在同一平面上，正電荷也全部回流到了主電極，兩電極間不再有電勢(shì)差，如圖2-3（d）所示。可見在介電材料與主電極的接觸分離過程中只有一半的電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，故單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)的整體輸出只有雙電極式的一半。1.1.4獨(dú)立層模式典型的獨(dú)立層摩擦納米發(fā)電機(jī)主要由一塊介電材料和一對(duì)對(duì)稱的電極構(gòu)成。其中介電材料作為獨(dú)立層，對(duì)稱電極則作為另一摩擦材料的同時(shí)作為產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移的電極。獨(dú)立層模式的納米發(fā)電機(jī)電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移過程如圖2-4所示。圖1.4獨(dú)立層式摩擦納米發(fā)電機(jī)原理圖Figure2-4Schematicdiagramofindependentlayertriboelectricnanogenerator如圖2-4（a），當(dāng)介電材料與左側(cè)電極接觸時(shí)，由于摩擦起電效應(yīng)，在兩種材料相接觸的平面產(chǎn)生了等量異號(hào)的電荷，介電材料的接觸表面帶負(fù)電荷，電極表面帶正電荷，此時(shí)處于靜電平衡狀態(tài)。當(dāng)介電材料在外部作用下向右移動(dòng)時(shí)，左側(cè)電極的電勢(shì)將高于右側(cè)電極，正電荷在獨(dú)立層材料的帶動(dòng)下向右側(cè)電極轉(zhuǎn)移，在外部電路中形成從左向右的電流，如圖2-4（b）所示。當(dāng)介電材料完全轉(zhuǎn)移到右側(cè)電極上方，跟右側(cè)電極重合時(shí)，所有正電荷都轉(zhuǎn)移到右側(cè)電極表面，與介電材料表面的負(fù)性電荷中和，電勢(shì)差降為零，外部電路中不再產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，如圖2-4（c）所示。之后當(dāng)獨(dú)立層材料在外部作用下開始向左移動(dòng)時(shí)，同樣將帶動(dòng)右側(cè)電極上的正電荷向左側(cè)電極轉(zhuǎn)移，在外部電路中形成從右向左的電流，如圖2-4（d）所示。直至介電材料完全跟左側(cè)電極重合，將再次達(dá)到電荷平衡。由于本文中主要涉及到獨(dú)立層模式。因此，在原理分析中采用以獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī)為模型進(jìn)行分析。如圖2-5為獨(dú)立層模式的理論模型結(jié)構(gòu)。其中金屬1和金屬2之間的距離為g，放置在同一平面內(nèi)形成兩個(gè)電極，另一個(gè)與金屬1尺寸相同的獨(dú)立層放置于金屬電極之上，獨(dú)立層下表面和金屬1之間的距離為h，該結(jié)構(gòu)寬度為w。圖2-5獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī)理論模型圖Figure2-5Theoreticalmodeloftheindependentlayermodetriboelectricnanogenerator由于介電層底部電勢(shì)并非一個(gè)固定值，因此這個(gè)界面不可以被看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們采用電勢(shì)疊加原理進(jìn)行下一步分析。假設(shè)底面的電介質(zhì)表面只有一小部分dk包含摩擦電荷，電荷密度為-σ，假設(shè)在金屬1和金屬2上的總電荷為σwdk。金屬1和金屬2在短路的情況下的電荷可以用如下的方程表示：（2-1）（2-2）其中，Ci（k）代表小界面和金屬i之間的電容。根據(jù)靜電場(chǎng)的疊加原理，考慮到電介質(zhì)表面的全部電荷是各小靜電區(qū)域的疊加，金屬1和金屬2上的總電荷可以分別由如下的方程表示：（2-3）（2-4）因此，最終轉(zhuǎn)移電荷量可以表示為：（2-5）當(dāng)x=0時(shí)，由于帶電荷的電介質(zhì)表面距離金屬層1要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬層2，所以不論k為何值，C2（k）/C1（k）的比值都接近于0，所以Q1近似為σwl，Q2近似為0。當(dāng)x=g+l時(shí)，不論k為何值，C2（k）/C1（k）的比值都趨于無窮大，所以，Q1近似為0，Q2近似為σwl，其結(jié)果與x=0時(shí)正好相反。因此，理論上Qsc可以達(dá)到σwl，即電荷轉(zhuǎn)移效率可以達(dá)到100%。1.2電磁感應(yīng)發(fā)電作用機(jī)制電磁感應(yīng)現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來，人們進(jìn)行了深入廣泛的研究，形成了完整系統(tǒng)的電磁理論。電磁發(fā)電是由法拉第于1831年提出來的，通過法拉第電磁感應(yīng)定律對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。電磁感應(yīng)定律提出變化的磁場(chǎng)周圍可以產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了磁與電之間的轉(zhuǎn)換，通過變化磁場(chǎng)來產(chǎn)生電場(chǎng)進(jìn)行發(fā)電。在19世紀(jì)60年代，麥克斯韋在總結(jié)和歸納前人研究的基礎(chǔ)上，將與電磁場(chǎng)相關(guān)的理論采用簡(jiǎn)潔、對(duì)稱、完美的數(shù)學(xué)形式表達(dá)了出來，形成了一整套完整描述電磁場(chǎng)理論的麥克斯韋方程組，具體如下所示。（1）靜電的高斯電場(chǎng)定律：（2-6）（2）靜磁的高斯磁場(chǎng)定律：（2-7）（3）磁生電法拉第電磁感應(yīng)定律：（2-8）（4）電生磁的安培-麥克斯韋定律：（2-9）以上各式中，?為哈密頓算子，D為電位移矢量，ρ為電荷密度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，B為磁通密度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，j0為電流密度。通過以上各公式，詳細(xì)說明了電生磁和磁生電的原理，其中磁生電主要分為感生和動(dòng)生兩種方式。通過電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)穿過閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中將會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。而通?？梢圆捎脙煞N方法改變通過閉合回路的磁通量：其一是導(dǎo)體在閉合回路中進(jìn)行切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體內(nèi)部可自由移動(dòng)的電子受到磁場(chǎng)的洛倫茲力，從而發(fā)生定向移動(dòng)形成與移動(dòng)方向相反的電流，這種情形下產(chǎn)生的電流稱為動(dòng)生電流，如圖2-6(a)所示；其二是保持閉合回路不動(dòng)，而改變穿過回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小或方向，進(jìn)而在磁場(chǎng)的周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，產(chǎn)生的電場(chǎng)使得導(dǎo)體內(nèi)部的可自由移動(dòng)的電子發(fā)生定向移動(dòng)，形成與自由電子移動(dòng)方向相反的電流，產(chǎn)生的這種電流稱為感生電流，如圖2-6(b)所示。圖2-6電磁感應(yīng)示意圖Figure2-6Schematicdiagramofelectromagneticinduction事實(shí)上，無論是動(dòng)生電流還是感生電流，其本質(zhì)都是穿過閉合回路的磁通量發(fā)生了變化。由于電磁有著穩(wěn)定性好、能量密度大、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，仍然是當(dāng)今社會(huì)中最常見的發(fā)電方式之一。生活中的風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、火力發(fā)電，甚至是核能發(fā)電都是通過電磁感應(yīng)原理，使發(fā)電機(jī)內(nèi)部的線圈切割磁感線，從而讓穿過線圈的磁通量不斷發(fā)生變化而產(chǎn)生電。而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流需要滿足一定的條件：一是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向和磁感線的方向不能平行，使導(dǎo)體保持做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)；二是電流回路要閉合，做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體會(huì)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電