Op 2 oktober 2020 stond er een artikel in de NRC over een Chinese vinding. Onderzoekers zijn er in geslaagd elektrische energie te krijgen door twee strips tegen elkaar te laten flapperen in een luchtstroom. Doordat de strips elkaar steeds raken en langs elkaar schuiven worden ze geladen.
‘In optimale omstandigheden levert het apparaat met deze afmetingen 175 volt, 43 microampère en 2,5 milliwatt. De onderzoekers noemen hun apparaat een B-TENG (Bernoulli effect-dominated triboelectric nanogenerator). Behalve 100 ledlampjes laten branden, hebben de onderzoekers hiermee ook een digitale thermometer van stroom voorzien’. Aldus de NRC. De werking van de vinding is gebaseerd op twee natuurkundige effecten, die we hieronder bespreken.
Bernoulli-effect
Eerst een proefje. Neem twee vellen papier. Klem ze met twee blokjes tussen je vingers, zodat ze uit elkaar hangen. Zie het plaatje hieronder.
a) Wat verwacht je dat er gebeurt als je van boven tussen de blaadje blaast? Waarom?
Misschien denk je dat de blaadjes uit elkaar zullen gaan, omdat je er lucht tussen blaast.
b) Blaas nu van boven tussen de twee blaadjes naar beneden. Wat gebeurt er?
De blaadjes gaan naar elkaar toe!
Neem nu één blaadje en houd dat horizontaal vlak onder je mond. Het hangt dan naar beneden. Kijk naar het plaatje.
c) Wat zal er zal gebeuren als je krachtig horizontaal aan de bovenkant over het blaadje blaast.
Misschien verwacht je dat het papier verder naar beneden zal afbuigen door de lucht die je eroverheen blaast. Maar misschien denk je na de eerste proef dat het blaadje wel naar boven zal buigen.
d) Doe het en kijk of je voorspelling uitkomt.
Het blaadje gaat omhoog!
Zie ook onderstaande video:
Dit is het beroemde bernoulli-effect: als de snelheid van lucht groter wordt, wordt de druk lager. De luchtdruk in de omgeving is natuurlijk niet veranderd.
e) Verklaar met behulp van deze wet de uitkomsten van de proefjes van B en D.
Bij de naar beneden hangende blaadjes drukt de omringende lucht de blaadjes naar elkaar toe, omdat door het blazen de druk er tussen kleiner is geworden. Bij het horizontaal vastgehouden blaadje is druk aan de bovenkant door het blazen kleiner geworden dan de normale luchtdruk aan de onderkant; daardoor gaat het omhoog.
Opladen door wrijven (tribo-elektrisch effect)
De Chinese onderzoekers maakten een proefopstelling met twee ‘sliertjes’ op 2 cm afstand. Hier tussen lieten zij lucht langs stromen, waardoor deze sliertjes – 8 cm lang en 3 cm breed – flapperen en elkaar raken en langs elkaar wrijven. Zie onderstaande figuur.
Deze manier van opladen door wrijving (die met een moeilijk woord het tribo-elektrisch effect heet) kennen we ook in het dagelijks leven.
f) Geef daarvan een drietal voorbeelden.
Bijvoorbeeld:
- In de natuurkundeles een staaf opwrijven met een doek.
- Een ballon opwrijven en je haren aantrekken.
- Een schok krijgen als je een trui uittrekt.
- Het ontstaan van onweer.
g) Welke energieomzetting vindt daarbij plaats?
Van bewegingsenergie van de lucht naar elektrische energie.
h) Het rendement van de omzetting is erg laag. Is dat een probleem?
Nee. De inkomende energie (windenergie) is gratis en in overvloed aanwezig.
De sliertjes hebben een speciale samenstelling, die maakt dat er ladingen overspringen als ze langs elkaar bewegen. Met de spanning die tussen de sliertjes ontstaat hebben de onderzoekers een lampje laten branden.
i) Waar in de getekende schakeling kun je een voltmeter plaatsen om de spanning tussen de sliertjes te meten?
j) En waar zet je de ampèremeter voor de stroom door het lampje?
In het artikel worden drie elektrische grootheden genoemd.
k) Laat zien dat het vermogen niet overeenkomt met de spanning en de stroomsterkte.
Vermenigvuldigen van de gegeven stroom en spanning levert
P = 175 . 43 . 10-6 = 7,5 . 10-3 W. In het artikel staat 2,5 . 10-3 W.
l) Schat hoeveel van deze opstellingen je nodig hebt voor het opladen van een smartphone.
De usb-oplader die bij een aankoop van een smartphone wordt meegeleverd heeft in het algemeen een vermogen van ongeveer 5 W (bijvoorbeeld5 V en 1 A)
Om hetzelfde vermogen te krijgen heb je 5 / 0,0075 = 667 = 7 . 102 opstellingen nodig.
