一種基于拉哨玩具摩擦生電的創(chuàng)新

文/重慶第八中學(xué) 馮路橋 指導(dǎo)老師/劉超

設(shè)計(jì)背景

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

據(jù)預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中葉，世界能源危機(jī)將更加突出。因此大力發(fā)展新的能源是適應(yīng)當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略問題。當(dāng)今便攜式或智能穿戴設(shè)備越來(lái)越流行，但此設(shè)備多使用傳統(tǒng)的供能方式，如鋰電池使用，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，如何對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)供電，從而更加清潔、有效地利用能源成為大家關(guān)注的課題。物理中，有摩擦生電原理，生活中，摩擦無(wú)處不在。因此，是否可利用摩擦生電原理，設(shè)計(jì)一種可持續(xù)、便攜式、自驅(qū)動(dòng)供能裝置，并為生活中的一些小型設(shè)備（如智能穿戴、健康監(jiān)測(cè)儀器）供能，引起了我的興趣。一次玩耍時(shí)，我和同學(xué)們玩“拉哨”時(shí)為我的興趣找到了靈感。于是，我著手設(shè)計(jì)一種基于摩擦生電原理具有高輸出功率的拉哨狀便攜式供能裝置。這種古老的拉哨旋轉(zhuǎn)玩具，可將低頻拉動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻轉(zhuǎn)動(dòng)，其摩擦產(chǎn)生的電能可迅速將一商業(yè)電容在10秒內(nèi)充電至10多伏特。

設(shè)計(jì)原理

我們有必要對(duì)摩擦生電的原理進(jìn)行一個(gè)科學(xué)的定義或解釋：不同物體所約束電子的能力不同，所以在它們相互接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移而使二個(gè)物體帶上等量的異種電荷。理論上，任何兩個(gè)不同種類的物體摩擦，都可以起電。18世紀(jì)中期，美國(guó)科學(xué)家富蘭克林經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和研究，認(rèn)為有兩種性質(zhì)不同的電，分別為正電和負(fù)電。物體因摩擦而帶的電，不是正電就是負(fù)電；比如與用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電為正電；與用毛皮摩擦過的塑膠棒帶的電為負(fù)電。

收集電能、結(jié)構(gòu)及測(cè)試過程

對(duì)于此項(xiàng)研究，最重要的是電源收集。為了收集電源，持續(xù)供電，我用聚四氟乙烯來(lái)收集電能。聚四氟乙烯一般稱作“不粘涂層”或“易清潔物料”。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑。同時(shí)，聚四氟乙烯具有耐高溫、電絕緣性和良好的抗老化能力的特性，作為一種電附性極強(qiáng)的材料，聚四氟乙烯為我的電源收集之路打下了良好的基礎(chǔ)。

這種拉哨摩擦生電的設(shè)置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，首先，將有機(jī)玻璃(丙烯酸塑料)板切割成基底形狀并對(duì)基底進(jìn)行打磨、超聲等平滑和清潔處理；其次，在轉(zhuǎn)子上貼上膠帶，再在膠帶上貼上刻蝕過的聚四氟乙烯；與此同時(shí)，對(duì)定子表面用物理氣相沉積的方法蒸鍍一層導(dǎo)電電極；最后，通過螺釘、彈簧和軸承對(duì)摩擦供能裝置進(jìn)行組裝。

在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中，需對(duì)作品進(jìn)行測(cè)試并優(yōu)化。在作品的測(cè)試過程中，分為五部分，分別是探究影響電流電壓輸出的因素（包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子定子間距和空氣濕度），最后把提高輸出的要點(diǎn)定在提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上；探究供能裝置幾何參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響（施加應(yīng)力，孔距和繩長(zhǎng)）；反饋總結(jié)前一步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)輸出，確定最后的裝置參數(shù)；測(cè)量裝置的電學(xué)輸出性能，并將其和其他裝置對(duì)比；將變壓后的裝置通過和整流橋以及商業(yè)電容連接后，分別給溫度濕度計(jì)和血糖計(jì)供能，探討其在健康監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用價(jià)值。

研究意義

實(shí)驗(yàn)表明，這種摩擦發(fā)電供能裝置能成功地驅(qū)動(dòng)智能穿戴、健康監(jiān)測(cè)儀器等設(shè)備，可為L(zhǎng)ED燈提供電源，并且在溫濕度儀和血糖儀上也得到了成功應(yīng)用，展示了作為便攜式能量轉(zhuǎn)換裝置的巨大潛力。