Трение это всем известное явление, которое скорее приводит к
проблемам, чем приносит пользу. Ведь как раз из-за трения появляется
дырка в носке, молнии на 100 км при извержении вулкана и даже взрываются
древесные опилки. Но как применить трение с пользой, и какое отношение ко всему
этому имеет защита автомобиля от коррозии?
Наука о трении включает в себя разделы физики, химии,
механики и электродинамики. Только в 80-х годах прошлого века утвердилось ее
самостоятельное название – трибология. Слово «трибо» по-гречески означает
«тереть». А вот то, что из-за трения возникает электричество, которое называют
«трибоэлектрическим эффектом», известно более двух тысяч лет. Я и сам хорошо помню, как в 9-ом классе в
школе показывали опыт с шерстью и эбонитовой палочкой. Палочку натирали
кусочком шерсти, подносили к маленьким обрывкам бумаги, и те, как будто под
воздействием магии, притягивались к палочке!
Этот опыт является забавным проявлением трибоэлектричества.
Научный журнал Nature опубликовал об этом эффекте статью еще в 1926 году, уже
тогда утверждая, что «несмотря на большие усилия физиков данный предмет так и
не прошел начальную стадию изучения». И это было справедливо до последнего
времени. По сути, единственным всемирно
известным применением трибоэлектрического эффекта является Ксерокс –
копировальные машины, в которых чернильный порошок заряжается из-за трения при
вращении барабана.
Проблема в том, что научными методами оказалось сложно изучать
этот простой феномен - опыты противоречат теориям, а теория не может объяснить
то, что мы видим в реальности. В условиях, когда невозможно обычными способами
объяснить эти сложности, появляются всевозможные эзотерические предположения, которые
пытаются найти объяснения наблюдаемым явлениям, например, с помощью
существования некой особой «электромагнитной материи»
Только в последние 10 лет началось новое активное изучение
этого явления. Произошло это благодаря изобретению в 2012 году Китайскими
учеными трибоэлектрических наногенераторов (ТЭНГ). Эти наногенераторы
превращают энергию, возникающую при ходьбе, движении пальцев рук, падении
снега, капель воды и т.п. в электроэнергию и позволяют использовать ее для
работы электронных приборов.
Одновременно
развивались и другие направления использования трибоэлектричества.
Российскими
учеными исследованы многочисленные способы его применения для:
- получения источника
рентгеновского излучения;
- изменения
свойства смесей под воздействием формовочных материалов;
- создания
внутритрубного датчика-расходомера;
- создания
прибора для сортировки стали;
- очистки
нефтепродуктов от загрязнений;
- защиты металла от коррозии.
Если говорить о коррозии, то в самом общем смысле это
термодинамический процесс самопроизвольного разрушения металла при
взаимодействии с окружающей средой. Первопричиной коррозии является состояние
неравновесия между металлом и окружающей средой – металлу выгоднее
раствориться, чем удерживать строгую кристаллическую решетку. Он бы хотел
«развалиться», а не держаться изо всех сил. Для того чтобы остановить коррозию
необходимо помочь металлу – сделать так чтобы ему было удобнее находиться в
нормальном состоянии.
Для этого используют трибоэлектрические генераторы. Для
защиты трубопроводов внутрь трубы устанавливают трибогенераторы-«ежики»
(рис.1). При движении жидкости внутри трубы происходит ее трение об
разветвленную поверхность «ежиков», за счет чего вырабатывается необходимое
количество электроэнергии. Ее избыток отводится на «землю», тем самым
балансируя происходящие термодинамические процессы и останавливая коррозию.
Похожий принцип используют для защиты автомобилей. За
решеткой радиатора устанавливается трибоэлектрический генератор (рис. 2). Во
время движения и стоянки автомобиля за счет трения о генератор частичек
вещества, находящихся в воздухе, происходит выработка электроэнергии. Ее
достаточно для защиты авто от процессов коррозии, происходящих на поверхности
металлов. А за счет того, что под днищем авто устанавливаются дополнительные
протекторные элементы, эффективность системы увеличивается многократно. При
этом система сбалансирована с помощью заземлителя, что обеспечивает равновесие
происходящих процессов и полностью останавливает коррозию.
Как автомобильный
трибогенератор вырабатывает электричество?
На видео показано, что
пока на трибогенератор не дует воздух, прибор который фиксирует напряжение,
показывает 0. Но если начать обдувать трибогенератор воздухом, на нем
моментально появляется электрический заряд. Если же обдувать воздухом электроды
мультиметра, которые не подключены к трибогенератору – напряжение не возникает.
Это является яркой иллюстрацией работы трибогенератора.
Трибоэлектричество было на Земле всегда, но только в
последние годы люди научились не считать его несущественным или вредным, а наоборот
нашли способы применять себе во благо. И уже очевидно, что в будущем
трибоэлектричество станет простым, привычным и удобным элементом нашей
повседневной жизни, который мы с удовольствием будем использовать везде и
постоянно.
(Фотография на обложке: flickr.com, @tunnelarmr, https://flic.kr/p/6FDTjQ, modified)