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當(dāng)你手舞足蹈的時候,，當(dāng)你衣袂飄揚(yáng)的時候,，當(dāng)你侃侃而談的時候，當(dāng)你健步如飛的時候,，你可曾想過，這些微小的能量都能被收集起來,，為你隨身攜帶的手機(jī)等電子設(shè)備提供電力,？ 將這種類科幻場景變成現(xiàn)實(shí)的，是一種名為“摩擦發(fā)電”的新技術(shù),。 原理：不同于電磁 現(xiàn)有的各種大能源的發(fā)電模式,，無論核能、煤電,、水電,、風(fēng)電，其基本發(fā)電原理一樣,，都是電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)【1】,，靠線圈轉(zhuǎn)動切割磁力線發(fā)電。這與180多年前法拉第發(fā)現(xiàn)磁生電,、電生磁的電磁感應(yīng)現(xiàn)象后,，所發(fā)明的世界上第一臺發(fā)電機(jī)相比，并無本質(zhì)區(qū)別,。 摩擦起電機(jī)的歷史也不短,。1882年，英國維姆胡斯創(chuàng)造了圓盤式靜電感應(yīng)起電機(jī),。這種起電機(jī)所帶的電雖然電壓高達(dá)幾萬伏,，但電流卻極小，一般僅幾個微安,，至今仍用于電學(xué)演示實(shí)驗(yàn),。 摩擦發(fā)電技術(shù)與這兩者都不一樣。這種新型的摩擦發(fā)電機(jī)由中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士在2012年1月研發(fā)成功,。與電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)比,，它無需磁鐵的累贅，輕捷簡便,，發(fā)電效率高,。“傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)與摩擦發(fā)電機(jī)的比較,，每單位體積的發(fā)電密度,，后者是前者30倍，每單位重量的發(fā)電密度,，后者是前者50倍,。”王中林說,。 與摩擦起電機(jī)比,，它的輸出電流大出幾個數(shù)量級,，可供實(shí)用，而不止步于演示,。摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)明兩年后的今天,，王中林團(tuán)隊最新研究成果――旋轉(zhuǎn)式直流摩擦納米發(fā)電機(jī)，已成功地將輸出電流提高到3毫安（1毫安=1000微安）,，最高平均穩(wěn)定輸出功率達(dá)1.5瓦,，首次實(shí)現(xiàn)了恒定電流的輸出，實(shí)現(xiàn)了對小型電器的實(shí)時供電,。 這是怎么做到的呢,？ “摩擦發(fā)電機(jī)利用了兩個原理，摩擦起電和靜電感應(yīng)【2】,?！蓖踔辛终f，“摩擦起電電壓高,，電流小,。有電壓，沒電流,，就沒功率,，一定要電壓乘電流才是功率，哪一個為零結(jié)果都是零,。所以摩擦發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵就在于，如何提高電流輸出,?！?/FONT> 他們首先做出了接觸分離式的摩擦納米發(fā)電機(jī)：給兩種材料接上外電路，再開合這兩種材料,。兩種材料接觸時,，電子轉(zhuǎn)移，這是摩擦起電,。把兩種材料拉開一個小距離,，材料兩端的電極層會產(chǎn)生電位差（電壓降），這是靜電感應(yīng),。為了屏蔽這個電壓降,，電子從外電路流動，產(chǎn)生電流,。兩種材料不斷地拉開再合上,，合上再拉開，就產(chǎn)生交變電流信號,。 據(jù)此原理,，王中林研究團(tuán)隊現(xiàn)已做出四種模式的摩擦發(fā)電機(jī)：接觸分離式,、滑動式、單電極式,、自由浮動式,，可以用于收集拍擊、震動,、滑動,、浮動等各種形式的微小機(jī)械能。 摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合,，如靈光一現(xiàn),，讓摩擦發(fā)電機(jī)成為可能。而納米技術(shù)的加入,，像畫龍點(diǎn)睛,，讓電流真正實(shí)現(xiàn)了有效輸出。 “這上面有很多肉眼看不見的花紋,?！蓖踔辛帜闷鹨粋€摩擦納米發(fā)電機(jī)的圓盤說，“使用納米技術(shù)在材料上增加各種凹凸花紋,，可以增加摩擦材料的比表面積,，將輸出電流提升1到4個數(shù)量級?！?/FONT> 最初的摩擦發(fā)電機(jī)輸出功率密度僅有3.67毫瓦每平方米,，目前最高可達(dá)500瓦每平方米，2年間整整提高了5個數(shù)量級,。摩擦發(fā)電機(jī)的輸出功率極限的不斷刷新,，正是得益于研究團(tuán)隊通過不斷嘗試和優(yōu)化，找到了最利于發(fā)電的摩擦表面圖案化陣列設(shè)計模式和旋轉(zhuǎn)式工作方式,。 應(yīng)用：廉價且普適 摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡單,、輕巧，用來產(chǎn)生摩擦并形成電流向外輸出的基本元件,，都是僅有微米級厚度的薄膜材料,，發(fā)電器件可以柔軟，甚至透明,。用納米技術(shù)進(jìn)行表面處理后,，衣料、紙張,、礦泉水瓶等上千種常用材料都可以成為摩擦發(fā)電器件,。 材料選擇余地很大，結(jié)構(gòu)又簡單輕巧,，這讓摩擦發(fā)電機(jī)具備了普適和廉價的特性,。 普適而廉價的摩擦發(fā)電機(jī),，目前可以應(yīng)用于生活的哪些方面呢？ 它能回收沖擊型能量,。拍手鼓掌,、海浪拍打，都是這種類型,。把它做到鞋墊里,，一走路就能發(fā)電。把它做到衣服里,，走路時衣袂翻飛也能發(fā)電,。把它做成一塊一塊放到地毯下，或是街道上,，汽車開過去,，人走過去，都能發(fā)電,。想想北京地鐵的洶涌人流,，如果把它做到地鐵站的通道上，地鐵里的照明或許都不需要額外的電力了,！ 它能回收風(fēng)能量?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電要大風(fēng)才能驅(qū)動電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，而風(fēng)力驅(qū)動的轉(zhuǎn)動式摩擦納米發(fā)動機(jī),，吹口氣的微小風(fēng)就可以發(fā)電,。研究人員做過實(shí)驗(yàn)，將用納米技術(shù)處理過的紙質(zhì)國旗放在小汽車車頂,，車一開動,，紅旗迎風(fēng)招展，也能讓旁邊的LED顯示燈亮起來,。未來，也許插在陽臺上的玩具風(fēng)車,，就可以為你提供停電時的應(yīng)急照明,。 它能回收震動型能量?！罢饎有湍芰坎缓没厥?，因?yàn)樗菦]有規(guī)律的。我們做出來了,，放在汽車發(fā)動機(jī)上,，放在沙發(fā)上，放在桌子上,，任何震動都可以點(diǎn)亮LED燈,?！蓖踔辛终f，把它做到學(xué)生的書包上,，一走路書包震動,，燈也一閃一閃，可以用作夜間的安全信號,。 它能回收聲音能量,。聲音就是空氣振動，過去電輸出只有毫伏級,，研究團(tuán)隊現(xiàn)在做到了50伏的輸出電壓,。聲音驅(qū)動的摩擦納米發(fā)電機(jī)，還可以當(dāng)麥克風(fēng)和錄音機(jī)用,，把聲頻信號和電信號記錄下來,，并播放出來。與現(xiàn)有的麥克風(fēng)和錄音機(jī)相比,，它的優(yōu)勢在于自驅(qū)動,，無需額外能源。 它能回收水波和水流能量,。摩擦發(fā)電機(jī)很輕巧,，把它封裝起來浮在水里，可以吸收水波拍打,、起伏的能量,。南方雨季時，屋檐上滴滴答答的水滴就能產(chǎn)生電流,，點(diǎn)亮屋里的燈,。 除發(fā)電外，摩擦發(fā)電機(jī)還能當(dāng)作無需電源的傳感器來使用,。研究發(fā)現(xiàn),，摩擦發(fā)電機(jī)的電信號輸出與動力源的性質(zhì)有明顯的相關(guān)性，可以用來反映物體的動作信息,。這種傳感器最為突出的優(yōu)點(diǎn),，是在感受終端無需電源，能夠通過被測試對象自身的活動來驅(qū)動,，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動的主動式傳感,。這在人機(jī)交互界面、智能傳感和智能皮膚領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅V闊的應(yīng)用前景,。 研究人員將摩擦納米發(fā)電機(jī)做成自驅(qū)動聲源定位儀,，利用聲音發(fā)電來定位。將三個輕小的發(fā)電機(jī)作為傳感器，放在屋里的三個角落,，根據(jù)聲波傳到不同傳感器的時間差來定位,。“桌子大的地方定點(diǎn)精確度可到5厘米,，大操場的定位精度也是5厘米,，因?yàn)閳龅卦酱髸r間差越大，定位就更準(zhǔn)確,?！?/FONT> 納米發(fā)電機(jī)作為傳感器使用時，可以做成自驅(qū)動報警設(shè)備,。做在門把手上,、車門上，一觸摸就發(fā)電報警,；放在地毯下,，不用定期更換電池，就能監(jiān)控家里老人小孩是否摔跤,；做到衣物上,，遇到地震等重大災(zāi)難時，被困人員可通過摩擦發(fā)電為搜救人員提供重要位置信息,。 輕巧靈活的摩擦納米發(fā)電機(jī),，給我們帶來了撒豆成兵的無限可能。 前景：考驗(yàn)想象力 王中林院士說,，“一個人一天正常行走的輸出功率是67瓦,，有11瓦可以轉(zhuǎn)換成電能?！蹦Σ涟l(fā)電機(jī)為我們回收生活中的涓滴微能,，這些涓滴細(xì)流能否匯成大海？研究團(tuán)隊在近期《自然-通訊》上發(fā)表的文章表明,，他們已經(jīng)找到了摩擦發(fā)電機(jī)輸出功率大幅提高的有效通道,，有望突破應(yīng)用限制，讓摩擦發(fā)電成為大規(guī)模能源供給的綠色新途徑,。 “我們的高性能摩擦納米發(fā)電機(jī),，已經(jīng)可以直接驅(qū)動常規(guī)電器，如閱讀燈,、傳感器等?！睋?jù)悉,，旋轉(zhuǎn)式直流摩擦納米發(fā)電機(jī)，已經(jīng)將兩種材料轉(zhuǎn)動摩擦而發(fā)電的發(fā)電效率提高到24%至50%,，可以進(jìn)行較為可觀的電流輸出,。 潮汐能收集裝置是另一個有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模能源供給的發(fā)明,。 潮汐能是一種潛力巨大的新能源。海洋面積占全球總面積的71%,，海浪的運(yùn)動模式有4種,，海流、海波起伏,、海浪拍打,、海浪漲落與沙灘間的摩擦。采用傳統(tǒng)發(fā)電方式的電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī),，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜裝置沉重,，只有海流可以帶動轉(zhuǎn)子發(fā)電，因此只能收集海流的能量,，其他三種海浪運(yùn)動能量都浪費(fèi)了,。而摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單輕巧，可以把發(fā)電單元做成乒乓球大小并浮于水中,，海浪運(yùn)動的4種能量全部可以收集,，把這些乒乓球結(jié)成網(wǎng)放到5米深的海水里，表面1平方公里的海面就能產(chǎn)生兆瓦級的電能,。 生活中少不了摩擦和震動,，從心臟起搏到擊打鍵盤，從海浪起伏到交通運(yùn)輸,，都是摩擦發(fā)電機(jī)的適用范圍,。過去，這些能量全部浪費(fèi)了,。未來,，摩擦發(fā)電機(jī)可以替我們把它們收集起來，讓我們擁有無處不在的微能源,。 團(tuán)結(jié)就是力量,，當(dāng)這些微小能源被集中起來時，聚沙成塔,、集腋成裘,，摩擦發(fā)電就有望從微小能源領(lǐng)域躋身到大規(guī)模應(yīng)用的綠色新能源之列。 “這是發(fā)電模式的重大突破,?！蓖踔辛终f，摩擦發(fā)電機(jī)從第一次問世到現(xiàn)在僅有兩年多的時間,，但是在這兩年里卻通過其發(fā)電模式的多樣化,、結(jié)構(gòu)的高度可調(diào)性和輸出性能的不斷飛躍，向人們展示了其未來應(yīng)用的無限潛力，引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大興趣,。目前已有10多家企業(yè)與研究團(tuán)隊聯(lián)系合作事宜,，傳感器和手機(jī)自充電這兩個方向有望最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！澳Σ涟l(fā)電的應(yīng)用,，目前主要受限于我們的想象力！” 在你的想象中,，摩擦發(fā)電還可以用來做什么呢,？ 【1】電磁感應(yīng)現(xiàn)象是因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動,，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流,。產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。 【2】摩擦起電的實(shí)質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移,，任何兩個物體摩擦?xí)r,電子由一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,得到電子的物體帶負(fù)電,，失去電子的物體帶正電。 靜電感應(yīng)是外電場作用下導(dǎo)體中電荷重新分布的現(xiàn)象,。帶電物體與不帶電導(dǎo)體相互靠近時,，由于電荷間的相互作用，會使導(dǎo)體內(nèi)部的電荷重新分布,，異種電荷被吸引到帶電體附近,，而同種電荷被排斥到遠(yuǎn)離帶電體的導(dǎo)體另一端。
轉(zhuǎn)自求是理論網(wǎng)-科學(xué)普及
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