一、研究背景

对于清洁、可持续能源的需求日益迫切，摩擦纳米发电机作为一种新兴的微纳能源受到了广泛关注。

摩擦纳米发电机介绍

摩擦电纳米发电机（TENG）利用两种对电子束缚能力不同的材料接触时得失电子，在外电路产生电流，并将机械能在纳米范围内转化为电能。

背包式摩擦纳米发电机

背包采用独立层式TENG 结构，运动时可把背包与人体间的相对运动产生的机械能转换为电能。

在发电机的两摩擦材料层中，一层易失电子，另一层易得电子。在相互摩擦时，由于材料的摩擦电负性不同，其表面可形成积累性的正负电荷，并在两者之间形成静电场。

背包的结构和工作原理

TENG主要有四种模式:

a.接触分离式

b.平面滑动式

c.单电极式

d.独立层式

二、研究目的及意义

目的：通过探究不同类型的摩擦纳米发电机及其应用范围，将日常环境中未被充分利用的机械能（如人体运动、风能、水流等）转换为电能。

意义：缓解能源问题、保护环境

三、实验原理与方法

摩擦起电——当两种不同材质的物体相互摩擦时，它们表面的正负电荷平衡会被打破，导致其中一个物体获得负电荷。

四、实验步骤

课题一：电子验电器的制作及常见材料的摩擦电序列探究

实验步骤：

1）如图，将MPF102场效应管、发光二极管、100千欧电阻插入面包板，接入9V电池。

2）雪弗板裁剪成宽5cm、长10cm的长方形块，将同样大小的待测材料粘贴上。

3）将不同的材料两两相互摩擦，分别靠近100千欧电阻的自由引线并观察LED灯亮灭来判断材料的得到或失去电子。

自变量：不同材料

因变量：得失电子的能力

JEFT场效应管

场效应管主要由源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）三个极组成。源极和漏极通常是由相同的半导体材料制成，栅极则是由绝缘材料制成。

电子验电器的制作及常见材料的摩擦电序列探究

课题二：摩擦纳米发电机认知及设计制作

滑动式摩擦纳米发电机的发电原理

当两种不同材料的表面在水平方向上相对滑动时，会在界面处产生电荷分离，形成正负电荷。通过静电感应，这些电荷从一种材料转移到另一种材料，从而在外部电路中形成电流。这种模式能提供稳定的电流输出。某些传感器或可穿戴设备中可用这种模式。

实验步骤：

1、将薄膜裁剪为7cm×14cm大小，贴上铜箔胶带

2、在薄膜上接上1根导线，背面粘贴同样大小雪弗板

3、接万用表测电压。

实验设计图

实验数据：

滑动式TENG随着摩擦速度的加快，电量可以增加到9.4伏

独立层式摩擦纳米发电机的发电原理

独立层式TENG：利用一个可以在两个电极之间自由移动的带电层来工作。当带电层在两个电极之间移动时，由于静电感应，会在电极上产生电流。这种模式具有较高的灵活性和可扩展性，适用于多种不同的应用场景。

实验数据：

独立层式发电机最大电量则可以达到77.2伏。

课题三：探究不同摩擦电材料对球形摩擦纳米发电机输出特性的影响实验

实验目的：

探究不同摩擦电薄膜材料对球形摩擦纳米发电机发电性能的影响

自变量：不同摩擦电薄膜材料

因变量：开路电压

实验材料：

实验步骤：

1）将杜邦线一端外皮剥去约2-3cm，露出金属丝，将两个塑料球壳的底部分别钻一个小孔；

2）将杜邦线穿入塑料球壳的小孔，并用铜箔胶带固定在塑料球壳内；

3）胶带完全包裹弹力球并装到球壳内，将塑料球壳扣好,接万用表，摇晃球壳，记录电压数值。

课题四：探究不同滚球数量对摩擦纳米发电机输出特性的影响

五、数据分析

推论1

PVC胶带作为薄膜材料时，球型摩擦纳米发电机的开路电压最高，表明其可能是较优的材料选择。

推论2

薄膜材料的性质对纳米发电机的输出特性有显著影响，通过选择合适的材料可以优化纳米发电机的性能。

推论3

需要对PVC胶带等材料进行进一步的实验和研究，以验证其在摩擦纳米发电机中应用的稳定性和效果。

六、结论与讨论

1、不同的薄膜材料由于其表面性质、介电常数以及导电性的差异，会影响静电电荷的积累与释放效率，从而影响开路电压的大小。PVC胶带、美纹胶带和透明胶带在作为TENG的包裹材料时，PVC胶带表现出了最高的开路电压，这可能是因为PVC材料具有较好的介电性能和较弱的电子逸出能力，有利于电荷的积累。相比之下，透明胶带可能因材质较为“光滑”或导电性较好，导致电荷更容易流失，从而开路电压较低。

2、增加弹力球的数量可以增加在TENG内部的滚动碰撞次数，从而增加了电荷分离的机会，导致更多的电荷累积在两个接触面之间，提高了开路电压。因此，调整滚动体的数量是优化TENG性能的一个有效策略。

3、综合来看，TENG的开路电压受到薄膜材料和内部滚动体数量的双重影响。为了最大化TENG的输出性能，应选择得失电子能力适宜且介电性能良好的薄膜材料，并合理增加滚动体的数量以增加电荷转移的机会。这些结论对于设计高效能的摩擦纳米发电机具有指导意义。

创新课题 胶带“球形”摩擦纳米发电机

实验目的 探究制作效率更高的球形摩擦纳米发电机及测试其发电性能

1-“胶带”球形摩擦纳米发电机的制作

① 备材料：透明胶带×1，雪弗板×1，铜箔胶带×1，面包板及整流桥×1，万用表及笔×1，单头鳄鱼夹导线若干根

② 装发电机：

Ⅰ.用铜箔胶带将两根导线分别固定在胶带两侧上部边缘，保证铜箔与导线接触良好 ；

Ⅱ.裁剪出大小合适的圆形雪弗板，将其用双面胶固定在胶带下部；

Ⅲ.内侧两边粘贴上铜箔胶带，尽量保持平整，且两边铜箔不接触

步骤

导线另一端鳄鱼夹夹住万用表表笔，放入一个橡胶球，测试其发电性能。测试时可用盖板盖住胶带上部，以防小球飞出。

数据分析

创新想法

1.滑梯滑动式摩擦纳米发电机，坐上特制的坐垫，摩擦起电

2.擦黑、白板滑动式摩擦纳米发电机

3.接触分离式摩擦纳米发电机，可以制作鞋底、跳板、跳远垫子、跳绳垫子，人在上面跳就可以发电。

七、参考文献

期刊类：

[1]王红燕.素养目标下的学习任务设计——以“电荷与电流”为例[J].中学物理，2021,39（12）：3.

[2]刘平，罗光，黄猛，发现式教学模式在物理教学中的应用研究——以“摩

擦起电”为例[J].物理通报，2019(12)：4.

[3]唐建华，谈教材“带电体相互作用”的演示实验改进[J].物理通报，2022(SO1):4.

[4] 钟英豪，严谨，梅纳尔多，等.基于摩擦纳米发电机的波浪能发电技术研究

进展[J].海洋技术,2022(041-003).

[5]罗元政，叶志诚，莫良浩，等，基于多孔中空振子的球形摩擦纳米发电机性

能研究[J].电子元件与材料,2022,41(6):7.

论文类：

[1]高翔.收集多方向波浪能的摩擦纳米发电机[D].兰州大学，

[2]闫祺.光催化自清洁摩擦纳米发电机的机理和性能研[D].上海师范大学.

书籍类：

[1]王中林，林龙，陈俊等，摩擦纳米发电机[M].北京：科学出版社，2017:8-9.

致谢

感谢学校为我们提供科研平台;

感谢实验过程中吴梦涛老师的耐心指导;

感谢各位参与活动的老师和家长们为我们提供的帮助!