摘要：本实验旨在研究摩擦纳米发电机的性能，分别研究摩擦材料、摩擦球数量、晃动频率对摩擦纳米发电机输出电压的影响。实验共分为三个课题，课题一为电子验电器的制作及常见材料的摩擦电序列的探究，通过发光二极管的明灭来判断得失电子能力，最后得出了材料越靠近摩擦电序列表底部越容易得到电子的结论；课题二为自制简易摩擦纳米发电机并测量最大输出电压；课题三为使用球形摩擦纳米发电机探究上述三个因素对输出电压的影响。

关键词：摩擦纳米发电机；摩擦点序列；输出电压

引言

如今，我国作为人口大国，其能源需求量极大，而对能源的开发利用不尽合理、不够科学，总体上资源紧缺，面临十分严峻的资源形势，因此开发新能源十分重要，从而产生了摩擦纳米发电机等发掘新能源的实验探究。

小组了解到，在2012年王中林院士带领团队首次研发了摩擦纳米发电机，标志着一个关于能量收集和自驱动传感的全新领域拉开序幕。基于接触起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机，可以高效收集人们周围分布广泛且无处不在的机械能，为自驱动系统、未来能源的可用技术遗迹高熵能量的利用提供了范式。[1]

1.前期准备

1.1实验材料

2.研究过程

2.1电子验电器的制备及常见材料的摩擦电序列探究

2.1.1实验步骤

1）将MPF102场效应管、发光二极管、100kΩ电阻按下图所示插入面包板，并接9V直流干电池。

2）将雪弗板裁剪成5cm×10cm的长方形块作为载体，将相同大小的待测材料粘贴在雪弗板上，并标记名称。

3）将不同材料两两摩擦，将它们分别靠近裸露在空气中的电阻引脚，观察发光二极管的明灭状态，判断和比较两种不同材料得失电子能力的差异，并记录在表格中。

2.1.2实验结果与结论

（注：PE：聚乙烯PP：聚丙烯PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯PTFE：聚四氟乙烯）

经初步试验，结果与理论有较大程度相符，排除偶然因素干扰，可以得出越靠近摩擦点序列底部的材料更易得到电子。

2.2摩擦纳米发电机认知及设计制作

2.2.1实验步骤

1）按图示连接组件

2）将PTFE板放在铜箔上快速来回摩擦

3）观察电表的示数

2.2.2实验结果与结论

输出电压的大小因发电机的不同而不同，摩擦的方向可以改变电流方向，故输出电压为交流电。

2.3探究不同摩擦电材料对球形纳米发电机输出性能的影响

2.3.1实验前的准备

1）将两根杜邦线一端的外皮各剥去约2-3厘米，露出里面的金属，穿入打好孔的两个塑料半球壳

2）将铜箔胶带粘贴在球体内部，且将杜邦线固定在胶带与球之间

3）用单层PVC胶带完全包裹弹力球，确保其能够在塑料球壳中自由移动。将球放入球壳中，并将球壳合紧

2.3.2实验测试

1）将发光二极管、球形摩擦纳米发电机接到面包板上，为了较稳定的持续发光二极管提供直流电，可在面包板上插整流桥。

2）来回摇晃塑料球壳，在摇晃一定次数后，在发光二极管上套上一小段黑色吸管，观察发光二极管的明灭状态。

2.3.3正式实验

1）控制滚球数量（1个）、晃动频率（BPM=120）相同，分别用不同的薄膜材料（PVC胶带、美纹纸胶带、透明胶带）包裹弹力球制作得到不同的球形摩擦纳米发电机。

2）将万用表调制电压档（最大量程200mv），测量不同材料包裹弹力球时球形摩擦纳米发电机输出的开路电压，比较不同材料包裹下的摩擦纳米发电机输出电压的差异，每种情况重复三次，记录万用表读数最大值并求得平均值。

2.3.4实验结果与结论

数据如下表

   数据表明，在上述三种材料中，小球外包裹PVC材料时，球形摩擦纳米发电机效率最高。

3.总结反思

小组成员配合默契，分工明确；大家实事求是，即使实验失败，也如实记录。不过有成员积极性不高，时常联系不上；实验时不够严谨，会出现损坏器材的情况。课题一大家的场效应管出现故障，后更换器具，才成功；课题三做球形发电机时，一开始用于用力过猛，导致杜邦线被摇断，被迫重新组装。另外在开孔时，发现美工刀不好刻，于是采用改锥在火上烧热后，利用高温使塑料熔化，轻松开孔。

4.结语

总的来说，本组实验较为成功。摩擦纳米发电机在日常生活中应用十分广泛，本实验仅有球形发电机，若是做成其他形状或其他类型的发电机，效率与应用范围会大大增强。

有提出将摩擦纳米发电机融入擀面杖的设想，但碍于时间等种种原因，尚未能做出设计图或雏形。

改进实验：将铜箔胶带换成毛皮，输出电压可达到1800mV。

参考文献：

[1]王中林等——《摩擦纳米发电机手册》

鸣谢：指导老师郑静格