Wiki Захваткин

Трибоэлектрический эффект — физическое явление возникновения электрических зарядов на поверхности материалов при их контакте и последующем разделении. Относится к классу контактной электризации и известен с античных времён (наблюдался Фалесом Милетским при трении янтаря о шерсть).

Физические основы

Эффект возникает из-за перераспределения электронов между поверхностями двух диэлектриков или диэлектрика и металла при тесном контакте. Вероятность перехода электрона зависит от работы выхода материалов и площади реального контакта (составляющей ~0.01–0.1% номинальной площади).

Заряд, возникающий при трении, можно оценить эмпирической формулой:

$Q = k \cdot A \cdot \left( \frac{\phi_1 - \phi_2}{e} \right)^n$

где:

• $Q$ — величина трибоэлектрического заряда (Кл)
• $k$ — коэффициент, зависящий от условий контакта
• $A$ — площадь контакта (м²)
• $\phi_1, \phi_2$ — работы выхода материалов (Дж)
• $e$ — заряд электрона (≈1.6×10⁻¹⁹ Кл)
• $n$ — показатель степени (обычно ≈1.5–2)

Трибоэлектрический ряд и пример

Материалы можно расположить в ряд по способности терять электроны (трибоэлектрический ряд):

``` (+) Кроличий мех → Стекло → Нейлон → Шерсть → Шёлк → Бумага → Хлопок → Дерево → Сталь → Эбонит → Полиэтилен → Полипропилен → Поливинилхлорид (-) ```

Пример химического процесса, сопровождающегося трибоэлектрическим эффектом при измельчении кристаллов:

<chem>ZnS_{(cryst.)} + friction -> ZnS_{(powder)+} + ZnS_{(powder)-}</chem>

Моделирование на Python

<syntaxhighlight lang="python"> import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt

class TriboelectricGenerator:

   def __init__(self, material1, material2, contact_area):
       self.tribo_coeff = abs(material1 - material2)  # Разность в трибоэлектрическом ряду
       self.area = contact_area  # Площадь контакта в м²
       self.charge = 0.0
       
   def contact(self, pressure, separation_velocity):
       """Моделирование контакта и разделения"""
       # Упрощённая модель: заряд пропорционален давлению и площади
       generated_charge = self.tribo_coeff * self.area * pressure * 1e-9
       self.charge += generated_charge
       
       # Напряжение при разделении
       capacitance = 8.85e-12 * self.area / 0.001  # Простая модель ёмкости
       voltage = self.charge / capacitance if capacitance > 0 else 0
       
       return {
           'charge_generated': generated_charge,
           'total_charge': self.charge,
           'voltage': voltage,
           'energy': 0.5 * capacitance * voltage**2
       }

1. Пример использования

generator = TriboelectricGenerator(0.8, 0.2, 0.01) # Материалы с разными положениями в ряду results = [] for cycle in range(10):

   result = generator.contact(pressure=1000, separation_velocity=0.1)
   results.append(result['voltage'])
   

plt.plot(results) plt.title('Напряжение трибогенератора по циклам') plt.xlabel('Цикл контакта-разделения') plt.ylabel('Напряжение (В)') plt.grid(True) plt.show() </syntaxhighlight>

Применение

Трибоэлектрические генераторы (трибогенераторы) преобразуют механическую энергию в электрическую.

• • Основные применения:**
• Датчики касания и движения
• Наногенераторы для носимой электроники
• Электростатические сепараторы в переработке отходов
• Системы сбора энергии с движущихся поверхностей

Примечания

Шаблон:Примечания <ref name="Wang2012">Шаблон:Статья</ref> <ref name="Diaz1992">Шаблон:Статья</ref>

См. также

• Пьезоэлектрический эффект
• Электростатический разряд
• Контактная электризация
• Наноэнергетика

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга