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浙江大学学报（理学版）
浙江大学学报（理学版）  2023, Vol. 50 Issue (4): 465-471    DOI: 10.3785/j.issn.1008-9497.2023.04.010
物理学     
电容器理论与摩擦纳米发电机
芮品淑(),李冬鹏
合肥师范学院 物理与材料工程学院，安徽 合肥 230601
Capacitor theory and triboelectric nanogenerator
Pinshu RUI(),Dongpeng LI
School of Physics and Materials Engineering，Hefei Normal University，Hefei 230601，China
 全文: PDF(1408 KB)   HTML( 2 )
摘要：

研究了当电容器内的电介质表面带电荷时电容器的电容和储能，得到二者在形式上与传统电容器完全相同，但所带电量需根据介质表面所带电量进行修正。利用电容理论研究了接触分离式摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）的输出性能，经理论推导和数值计算，得到了接触分离式TENG的电量、电压与输出电流。最后根据理论计算结果详细讨论了TENG的电荷转移过程。研究不仅推广了电容相关理论，而且完善了对TENG工作原理的描述。
关键词： 电容;  摩擦纳米发电机;  理论分析;  数值计算    
Abstract:

In this paper, we first study the capacitance and energy of the capacitor when the dielectric surface inside the capacitor is charged. The results show that the capacitance and energy formula in this case are in the same form as that depicted in traditional capacitance theory, but the charge of the capacitor needs to be modified according to the charge of the dielectric surface. Then we use the capacitance theory to study the output performance of the contact-separation mode triboelectric nanogenerator (TENG). It is found that the final stable output of the contact-separation mode TENG is different from the output of the initial short time. Through theoretical deduction and numerical calculation, the electric quantity, voltage and current of contact-separation mode TENG are obtained. Finally, we analyze the charge transfer process of TENG in detail based on the theoretical calculation results. That is, when the external resistance can not be ignored, the electrode charge has a certain hysteresis effect relative to the electrode position. Our results not only generalize the capacitance theory, but also improve the working principle of TENG.
Key words: capacitance    triboelectric nanogenerator    theoretical analysis    numerical calculation
收稿日期: 2022-03-17 出版日期: 2023-07-17
CLC:  O 441  
基金资助: 安徽省高等学校省级质量工程项目（省级“六卓越、一拔尖”卓越人才培养创新项目）(2020zyrc128)
作者简介: 芮品淑（1986—），ORCID：https：//orcid.org/0000-0003-2921-1381，女，博士，讲师，主要从事大学物理、大学物理实验的教学研究工作，E-mail：ruips@hfnu.edu.cn.
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芮品淑
李冬鹏

引用本文:

芮品淑,李冬鹏. 电容器理论与摩擦纳米发电机[J]. 浙江大学学报（理学版）, 2023, 50(4): 465-471.

Pinshu RUI,Dongpeng LI. Capacitor theory and triboelectric nanogenerator. Journal of Zhejiang University (Science Edition), 2023, 50(4): 465-471.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/sci/CN/10.3785/j.issn.1008-9497.2023.04.010    或    https://www.zjujournals.com/sci/CN/Y2023/V50/I4/465

图1  平行板电容器的扩展模型示意
图2  接触分离式TENG模型
图3  接触分离式TENG任意时刻状态参数
图4  当外电阻R=107 Ω时TENG电极的电量
图5  当外电阻R=107 Ω时TENG的输出电流
图6  当外电阻R=0时TENG电极的电量
图7  当外电阻R=0时TENG的输出电流
图8  当外电路开路时TENG两端的电压
图9  不同外电阻R时TENG电极上的电量主图为多周期的电量，插图为两极相互接触时的电量。
图10  当外电阻R较小时TENG的电量转移
图11  当外电阻R较大时TENG的电量转移
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