设计背景
据预测，到本世纪中叶，世界能源危机将更加突出。因此大力发展新的能源是适应当前世界经济可持续发展的重要战略问题。当今便携式或智能穿戴设备越来越流行，但此设备多使用传统的供能方式，如锂电池使用，对环境造成了严重的污染。因此，如何对这些设备进行自驱动供电，从而更加清洁、有效地利用能源成为大家关注的课题。物理中，有摩擦生电原理，生活中，摩擦无处不在。因此，是否可利用摩擦生电原理，设计一种可持续、便携式、自驱动供能装置，并为生活中的一些小型设备（如智能穿戴、健康监测仪器）供能，引起了我的兴趣。一次玩耍时，我和同学们玩“拉哨”时为我的兴趣找到了灵感。于是，我着手设计一种基于摩擦生电原理具有高输出功率的拉哨状便携式供能装置。这种古老的拉哨旋转玩具，可将低频拉动转换成高频转动，其摩擦产生的电能可迅速将一商业电容在10秒内充电至10多伏特。
项目实验
设计原理
我们有必要对摩擦生电的原理进行一个科学的定义或解释：不同物体所约束电子的能力不同，所以在它们相互接触时会发生电子的转移而使二个物体带上等量的异种电荷。理论上，任何两个不同种类的物体摩擦，都可以起电。18世纪中期，美国科学家富兰克林经过实验和研究，认为有两种性质不同的电，分别为正电和负电。物体因摩擦而带的电，不是正电就是负电；比如与用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电为正电；与用毛皮摩擦过的塑胶棒带的电为负电。
收集电能、结构及测试过程
对于此项研究，最重要的是电源收集。为了收集电源，持续供电，我用聚四氟乙烯来收集电能。聚四氟乙烯一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料”。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温、电绝缘性和良好的抗老化能力的特性，作为一种电附性极强的材料，聚四氟乙烯为我的电源收集之路打下了良好的基础。
这种拉哨摩擦生电的设置结构较为简单，首先，将有机玻璃(丙烯酸塑料)板切割成基底形状并对基底进行打磨、超声等平滑和清洁处理；其次，在转子上贴上胶带，再在胶带上贴上刻蚀过的聚四氟乙烯；与此同时，对定子表面用物理气相沉积的方法蒸镀一层导电电极；最后，通过螺钉、弹簧和轴承对摩擦供能装置进行组装。
在后续的实验过程中，需对作品进行测试并优化。在作品的测试过程中，分为五部分，分别是探究影响电流电压输出的因素（包括转子转速，转子定子间距和空气湿度），最后把提高输出的要点定在提高转子转速上；探究供能装置几何参数对转速的影响（施加应力，孔距和绳长）；反馈总结前一步实验数据，选择最优输出，确定最后的装置参数；测量装置的电学输出性能，并将其和其他装置对比；将变压后的装置通过和整流桥以及商业电容连接后，分别给温度湿度计和血糖计供能，探讨其在健康监测等方面的应用价值。
研究意义
实验表明，这种摩擦发电供能装置能成功地驱动智能穿戴、健康监测仪器等设备，可为LED灯提供电源，并且在温湿度仪和血糖仪上也得到了成功应用，展示了作为便携式能量转换装置的巨大潜力。
责编/李雪敏
