一种四电极摩擦纳米发电机及其制作方法和应用与流程

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，涉及一种四电极摩擦纳米发电机及其制作方法和应用，具体地说，涉及一种基于脂肪酸金属盐的四电极摩擦纳米发电机及其制作方法和应用。

背景技术：

摩擦纳米发电机工作的基本原理是：电极接触时，电负性相差很大的两层薄膜摩擦，分开时分别携带相反的电荷，形成电势差；这两个材料的背电极通过负载连接，电势差将使得电子在两个电极之间流动，以平衡薄膜间的静电电势差。一旦两个接触面再次重合，摩擦电荷产生的电势差消失，从而使电子反向流动。这样不断的接触和分离，摩擦发电机的输出端将输出交变的电流脉冲信号，从而对外输出电能。

目前摩擦纳米发电机主要以高分子聚合物为摩擦材料，并在聚合物的背面制备感应电极，通过摩擦起电使两种材料分别带上等量异号电荷，再通过静电感应原理使聚合物背面的感应电极产生感应电荷，在电势的驱动下，使感应电极上的电荷输出到外电路，将机械能转化为电能。

牛顿摆的原理：

动量守恒：在一个封闭系统中，给定方向的动量是恒定的。动量表示为：p=mv（p代表动量，m代表质量，v代表给定方向的速度）但实际上，牛顿摆并不是一个封闭系统，金属球仍然受到重力的作用，会使小球弹开的速度减缓，直至停止（此时动量不守恒）。当最后一个球无法继续传递动量与能量，它就被弹开。当它运动到最高点时，它只蕴含势能，而动能减少到零，重力使它向下运动，循环再次开始。

能量守恒：在一个封闭系统中，总能量是恒定的。能量表示为：ek=0.5mv²(ek代表动能）当一端的球以一定的能量碰撞球组，它的能量将转移给另一端的球（而不是消失)。弹性碰撞与摩擦力：一部分摩擦力来自空气阻力，而主要的来自小球本身。但根据能量守恒定律，总能量保持不变。由于球的形变，组成球的分子间将动能转化为热能。小球发生振动，同时产生了牛顿摆标志性的清脆的碰撞声。牛顿球的倍频作用：倍频是将原信号的频率乘以一个倍数，输出信号的频率是输入信号频率n倍，n为整数。即f0=nfi(f0为输出信号频率，fi为输入信号频率)，其中n为倍频次数。而牛顿球在开始摆动时，相邻的牛顿摆球能够损耗较少的振荡，从而较为持久的传递。满足倍频原理：非线性器件使振荡波形产生失真，产生出该振荡的各次谐波，所需谐波可用谐振于该谐振频率的振荡回路分离出来。基于牛顿球自身的性质，能够较为持久的传递振荡，而相邻牛顿球的碰撞又提供了本发明所需要的摩擦前提，且碰撞不停，摩擦也就一直存在。使得本发明能够拥有较为持续的摩擦电子来源，从而达到摩擦纳米材料导电的作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种四电极摩擦纳米发电机及其制作方法和应用。

其具体技术方案为：

一种四电极摩擦纳米发电机，包括牛顿摆模型，所述牛顿摆模型包括木棒支架组成的牛顿摆结构和五个牛顿球，所述五个牛顿球包括两个由肥皂包裹的金属小球，所述的两个金属小球就是上五个小球中最左边和最右边的小球是用肥皂包裹的，第二个小球的左半边是裹着特氟龙胶带构成左边的另一个摩擦电极，右边的设计同左边一样，只是方向相反而已。

进一步，所述小球选用铜球，其质量在30g到50g之间的金属小球作内芯，脂肪酸金属盐薄膜作用外，所述金属小球保证小球摆动的持续性，脂肪酸金属盐薄膜用作摩擦电极之一。

进一步，所述的特氟龙胶带选择0.13mm。

进一步，所选的特氟龙胶带具体参数为：f013厚度为0.13mm，最大幅度为1250mm，粘附强度（对钢）22n/100mm，抗拉强度为900n/100mm，耐温-70度到260度。

一种四电极摩擦纳米发电机的制作方法，包括以下步骤：

第一：在搭建牛顿摆之前选择一个金属小球将其外表涂上强力胶水，再在胶水上撒上干燥的肥皂粉末，将此球用作牛顿摆最左边第一个小球，同理选择第二个金属小球用同样的方法制作最右边摩擦电极小球

第二：在剩下的三个小球中选择一个小球，将其左半边粘上特氟龙胶带作为另一个摩擦电极，再选择一个小球，在其右半边贴上特氟龙胶带，两个小球的特佛龙胶带下都固定一根导线引出电子，形成电流。

第三：剩下的那个小球在其左右两边与临近小球接触的地方贴上绝缘胶带，可以选择普通透明胶，以起到绝缘作用按照上面所述安装牛顿小球，具体的批注如模型图所示。

第四：将引出的导线外接电压电流检测装置，显示电压电流信号的波形，以此来判断肥皂是否无菌，对应于工业中，可以判断脂肪酸金属盐的金属元素含量的多少。

进一步，所述牛顿摆的制作方法包括以下步骤：

第一：首选选择支架材料。选择8根长度为12厘米的长木棒和4根6厘米的长木棒；

第二：选择牛顿球。选择5个半径相同，且在5mm到7.5mm范围内的小铜球；

第三：选择10个小钉子（以下均采用小钉子），用来固定小球的摆线；

第四：选择线材外径为1.6mm的导线，外皮颜色为红黑两种，导体规格为0.3平方毫米，16根纯铜芯，以下所有导线都与此处罗列导线规格相同。

第五：选择5个真空的塑胶吸盘，选用的塑料吸盘的直径为15mm，顶头直径为5mm；

第六：将十二根木棒用胶水粘贴组成一个长方体；

第七：分别在长方体顶部面的长边长上每隔2.4厘米钉一个小钉子，用来固定小球的线，两个长边都要钉，两边钉子要形成对等，不能错位，以便于后续挂小球；

第八：用吸盘吸住小球，选择五根长度为10厘米的无弹性的细线（比如家用的毛线），穿过吸盘上的小孔，将线的两端固定在两侧钉子上即可，依次完成后面四个小球的固定。

进一步，选用的塑料吸盘的直径为15mm，顶头直径为5mm，在吸盘的顶头处有一个用于穿线的小孔，选用的细线从此处穿过，分别将细线的两头固定在前述制作的支架两边对等位置处的钉子上，这样就将小球挂起来了，按照这个步骤依次挂上其余四个小球。

本发明所述四电极摩擦纳米发电机在脂肪酸金属盐中金属元素含量的检测过程中的应用。

本发明所述四电极摩擦纳米发电机在肥皂的感染程度检测过程中的应用。

有益效果：

本发明的四电极摩擦纳米发电机采用牛顿摆模型，实现了一个模型两个摩擦纳米发电机的功能，两个发电机机械能和电能相互转换，在一定程度上实现了一种输出稳定的摩擦纳米发电机，可以用于检测肥皂的感染程度，工业上可以通过检测输出的电学信号来判断脂肪酸金属盐中金属元素的含量，具有很大的使用价值，适合推广应用。

附图说明

图1是四电极摩擦纳米发电机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，为牛顿摆模型，如前述，牛顿摆通过弹性碰撞的动量守恒和能量守恒原理来实现能量在球与球之间进行传递，也就是说当拉起图1左边第一个球让其自然落下时，当与左边第二个球碰撞时，右边第一个球就会获得能量并向右边弹起，又自由落下与右边第二个球发生弹性碰撞，左边第一个球获得能量再次弹起，如此反复，提供了碰撞摩擦的条件。

本发明是基于脂肪酸金属盐作为一个电极摩擦材料的摩擦纳米发电机，用于对脂肪酸金属盐中金属元素含量的检测，现目前工业中对于脂肪酸金属盐中金属含量的检测是基于化学反应而成的，过程较为繁琐。此外，本发明可以运用在对家庭日用肥皂的干净度进行检测，如果日用肥皂被细菌感染，那便会对人体皮肤有害，因此一个行之有效、简单准确的检测方法是十分具有运用价值的。

现在详细介绍一下如何搭建简单的牛顿摆：

第一：首选选择支架材料。选择8根长度为12厘米的长木棒和4根6厘米的长木棒；

第二：选择牛顿球。选择5个相同半径，半径在5mm到7.5mm的铜小球；

第三：选择10个金属小钉子，用来固定小球的摆线；

第四：选择5个真空的塑胶吸盘，塑胶吸盘吸盘直径选择15mm，顶头直径为8mm；

第五：将十二根木棒用胶水粘贴组成一个长方体；

第六：分别在长方体顶部面的长边长上每隔2.4厘米钉一个小钉子，用来固定小球的线，两个长边都要钉；

第七：用吸盘吸住小球，选择无弹性的细线，长度为10厘米（比如家用的毛线），穿过吸盘上的小孔，将线的两端固定在两侧钉子上即可，依次完成后面四个小球的固定。

完成以上步骤之后，便完成了简单牛顿摆的设计，完成后的。

现在，详细介绍一下摩擦电极的设计实现（本专利书上仅阐述该发电机在家庭日用肥皂干净程度的检测上的运用，如果需要用于工业上的脂肪酸金属盐的金属含量的检测，则将下述肥皂换成其他固体金属盐即可）

本次设计的基于脂肪酸金属盐的摩擦纳米发电机包括2个由肥皂（日用的家庭肥皂）包裹的金属小球1（这里的两个就是上五个小球中最左边的小球和最右边的小球是用肥皂包裹的，第二个小球的左半边是裹着特氟龙胶带2构成左边的另一个摩擦电极，这样左边的，摩擦纳米发电机就设计完成了，右边的设计同左边一样，只是方向相反而已）及一个上述木棒支架组成的牛顿摆结构。小球结构中包括一定重量的金属小球作内芯，脂肪酸金属盐薄膜作外芯。其中金属小球保证小球摆动的持续性，脂肪酸金属盐薄膜用作摩擦电极之一。

制作方法：

第一：在搭建牛顿摆之前选择一个金属小球1将其外表涂上强力胶水，再在胶水上撒上干燥的肥皂粉末，将此球用作牛顿摆最左边第一个小球，同理选择第二个金属小球用同样的方法制作最右边摩擦电极小球

第二：在剩下的三个小球中选择一个小球，将其左半边特上特氟龙胶带2作为另一个摩擦电极，再选择一个小球，在其右半边贴上特氟龙胶带2，两个小球的特佛龙胶带下都固定一根导线引出电子，形成电流。

第三：剩下的那个小球在其左右两边与临近小球接触的地方贴上绝缘胶带，可以选择普通透明胶，以起到绝缘作用按照上面所述安装牛顿小球。

第四：从导线引出位置3将引出的导线外接电压电流检测装置，显示电压电流信号的波形，以此来判断肥皂是否无菌，对应于工业中，可以判断脂肪酸金属盐的金属元素含量的多少。

经过实验测试，基于牛顿摆模型的摩擦纳米发电机两端均能输出稳定的电压电流信号，电学性能稳定，具有很好的实际开发价值。

前面所述的特氟龙胶带选择0.13mm。

借助于牛顿摆的原理，可以输出稳定的电学信号，在示波器上能显示较好的波形，便于观察。

本发明所述的肥皂是脂肪酸金属盐的总称。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。