一種基于拉哨玩具摩擦生電的創新

文/重慶第八中學 馮路橋 指導老師/劉超

設計背景

項目實驗

據預測，到本世紀中葉，世界能源危機將更加突出。因此大力發展新的能源是適應當前世界經濟可持續發展的重要戰略問題。當今便攜式或智能穿戴設備越來越流行，但此設備多使用傳統的供能方式，如鋰電池使用，對環境造成了嚴重的污染。因此，如何對這些設備進行自驅動供電，從而更加清潔、有效地利用能源成為大家關注的課題。物理中，有摩擦生電原理，生活中，摩擦無處不在。因此，是否可利用摩擦生電原理，設計一種可持續、便攜式、自驅動供能裝置，并為生活中的一些小型設備（如智能穿戴、健康監測儀器）供能，引起了我的興趣。一次玩耍時，我和同學們玩“拉哨”時為我的興趣找到了靈感。于是，我著手設計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玩具，可將低頻拉動轉換成高頻轉動，其摩擦產生的電能可迅速將一商業電容在10秒內充電至10多伏特。

設計原理

我們有必要對摩擦生電的原理進行一個科學的定義或解釋：不同物體所約束電子的能力不同，所以在它們相互接觸時會發生電子的轉移而使二個物體帶上等量的異種電荷。理論上，任何兩個不同種類的物體摩擦，都可以起電。18世紀中期，美國科學家富蘭克林經過實驗和研究，認為有兩種性質不同的電，分別為正電和負電。物體因摩擦而帶的電，不是正電就是負電；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電。

收集電能、結構及測試過程

對于此項研究，最重要的是電源收集。為了收集電源，持續供電，我用聚四氟乙烯來收集電能。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、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，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。

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

在后續的實驗過程中，需對作品進行測試并優化。在作品的測試過程中，分為五部分，分別是探究影響電流電壓輸出的因素（包括轉子轉速，轉子定子間距和空氣濕度），最后把提高輸出的要點定在提高轉子轉速上；探究供能裝置幾何參數對轉速的影響（施加應力，孔距和繩長）；反饋總結前一步實驗數據，選擇最優輸出，確定最后的裝置參數；測量裝置的電學輸出性能，并將其和其他裝置對比；將變壓后的裝置通過和整流橋以及商業電容連接后，分別給溫度濕度計和血糖計供能，探討其在健康監測等方面的應用價值。

研究意義

實驗表明，這種摩擦發電供能裝置能成功地驅動智能穿戴、健康監測儀器等設備，可為LED燈提供電源，并且在溫濕度儀和血糖儀上也得到了成功應用，展示了作為便攜式能量轉換裝置的巨大潛力。