1.2: Vista previa de temas
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Debido a la gran variedad, no es posible discutir en detalle todos los dispositivos de conversión de energía, incluso todos los dispositivos directos. Sin embargo, al estudiar los procesos de conversión de energía directa de ejemplo, podemos obtener una comprensión de los procesos indirectos y otras aplicaciones. Los dispositivos discutidos en este libro implican la conversión de energía entre forma eléctrica y otra forma. Adicionalmente, no se discutirán los dispositivos que involucran imanes y bobinas. Muchos dispositivos útiles, incluyendo motores, generadores, turbinas eólicas y plantas de energía geotérmica, convierten la energía electromagnéticamente usando imanes y bobinas. Aproximadamente el 90% de la energía suministrada a la red eléctrica en Estados Unidos proviene de generadores que utilizan imanes y bobinas [1]. Además, alrededor de 2/3 a 3/4 de la energía utilizada por las instalaciones de fabricación va hacia motores [2, cap. 1]. Sin embargo, existen muchos buenos recursos para discutir estos temas. Además, este libro enfatiza el dispositivo que opera cerca de la temperatura ambiente y a una potencia relativamente baja (<1 kW). Muchos dispositivos interesantes, como las centrales nucleares, operan a altas temperaturas. Una razón para no discutir dispositivos más potentes es que la gran mayoría de los grandes generadores eléctricos en uso hoy en día involucran turbinas con bobinas e imanes. Otra razón es que estos dispositivos suelen estar limitados por consideraciones materiales. Encontrar materiales para construir dispositivos de alta temperatura es un problema desafiante, pero no es el propósito de este libro. Adicionalmente, solo las tecnologías disponibles comercialmente en el mercado hoy en día se discuten en este libro. Además, existen muchos textos de calidad sobre los temas de las fuentes de energía renovables y alternativas. Por esta razón, este libro no se centrará en las tecnologías de energías renovables o alternativas. No se discuten temas como las turbinas eólicas, que involucran la conversión de energía electromecánica con imanes y bobinas. Se discuten las células solares, los dispositivos piezoeléctricos y otros dispositivos de conversión de energía directa y se pueden considerar tanto dispositivos de conversión de energía directa como dispositivos de energía renovable.
Si bien existen algunos libros sobre conversión directa de energía, hay pocas cosas que diferencien a este libro. Primero, muchos de los libros sobre conversión directa de energía, entre ellos [3] y [4], están escritos a nivel de posgrado mientras que este libro está dirigido a un público más general. Este libro es utilizado para el curso Conversión Directa de Energía impartido en la Universidad de Trino, que es un curso de nivel junior de licenciatura para ingenieros eléctricos. Este libro no está destinado únicamente a estudiantes de ingeniería eléctrica. También está dirigido a investigadores que estén interesados en cómo la conversión energética es estudiada por científicos e ingenieros de otras disciplinas. La idea de conversión de energía es fundamental para la física, la química, la ingeniería mecánica y muchas otras disciplinas. Este libro analiza la física fundamental detrás de los procesos de conversión de energía, introduce la terminología utilizada y relaciona conceptos de ciencia de materiales utilizados para construir dispositivos. Los capítulos fueron escritos para que alguien que no sea diseñador de antenas, por ejemplo, pueda leer el capítulo relevante como introducción y obtener información sobre algunos de la terminología y conceptos clave utilizados por los investigadores de electromagnetismo. En segundo lugar, hace décadas se escribieron varios buenos libros sobre el tema, entre ellos [3] y [5]. Los conceptos de estos libros siguen siendo relevantes, y estos libros a menudo predecían qué tecnologías serían de interés. Sin embargo, existe la necesidad de un libro que discuta las tecnologías de conversión de energía directa más accesibles y comunes que se utilizan hoy en día. Además, muchos de estos textos clásicos están agotados y se necesitan textos contemporáneos.
Se supone que el lector está familiarizado con la química introductoria y la física. Los antecedentes en circuitos y materiales eléctricos también pueden ser útiles. La matemática a través del Cálculo I se utiliza en la primera parte del libro, y la matemática a través del Cálculo III (incluyendo las derivadas parciales) se utiliza en la segunda parte. Muchos temas en este texto son discutidos cualitativamente. No se intenta ser matemáticamente riguroso, y no se dan pruebas. La física de los dispositivos se enfatiza sobre las matemáticas excesivas. Adicionalmente, todos los sistemas físicos serán discutidos semiclásicamente, lo que significa que las explicaciones involucrarán electrones y campos electromagnéticos, pero no se discutirá la dualidad de partículas de onda de estas cantidades. Si bien existen teorías mecánicas cuánticas, teóricas de campo cuántico y otras teorías más precisas para describir muchas situaciones físicas, las discusiones semiclásicas se utilizarán para hacer que este libro sea más fácil de acceder a los lectores sin experiencia en mecánica cuántica.
Los capítulos 2 a 10 comprenden la primera parte de este libro. Como se mencionó anteriormente, revisan diversos procesos de conversión directa de energía que convierten hacia o desde la electricidad y que no involucran imanes y bobinas. Table\(\PageIndex{1}\) enumera muchos de los procesos estudiados junto con dónde en el texto se discuten, y Table\(\PageIndex{2}\) enumera algunos de los dispositivos detallados. Este texto no pretende ser enciclopédico ni completo. En cambio, se pretende resaltar la física detrás de algunos de los dispositivos de conversión de energía más ampliamente disponibles y accesibles que convierten a o desde energía eléctrica. Una forma de entender los dispositivos de conversión de energía utilizados para convertir a o desde la electricidad es clasificarlos como los más similares a los condensadores, inductores, resistencias o diodos. Si bien no todos los dispositivos encajan perfectamente en estas categorías, muchos sí. La segunda columna de Table\(\PageIndex{2}\) enumera la categoría para diversos dispositivos. De manera similar, los procesos de conversión de energía pueden ser capacitivos, inductivos, resistivos o similares a diodos.
| Proceso | Formas de Energía | Dispositivos de ejemplo | Discutidos en la Sección |
|---|---|---|---|
| Piezoelectricidad | Electricidad Energía\(\updownarrow\) Mecánica | Sensor de vibración piezoeléctrico, micrófono Electret | 2.3 |
| Piroelectricidad | Electricidad\(\updownarrow\) Calor | Detector infrarrojo piroeléctrico | 3 |
| Efecto electroóptico | Polarización de\(\updownarrow\) material de energía electromagnética óptica | Óptica controlable, pantallas de cristal líquido | 3.2 |
| Transmisión y Recepción Electromagnética | Electricidad Energía\(\updownarrow\) Electromagnética | Antena | 4 |
| Efecto Hall | Electricidad Energía\(\updownarrow\) Magnética | Dispositivo de efecto Hall | 5 |
| Efecto Magnetohidrodinámico | Electricidad Energía\(\updownarrow\) Magnética | Dispositivo Magnetohidrodinámico | 5.2 |
| Absorción |
Energía Electromagnética Óptica\(\downarrow\) Electricidad |
Célula solar, fotodetector óptico semiconductor | 6 |
| Emisión espontánea |
Electricidad Energía Electromagnética\(\downarrow\) Óptica |
Lámpara, LED | 7.2 |
| Emisión estimulada |
Electricidad Energía Electromagnética\(\downarrow\) Óptica |
Láser, Amplificador Óptico | 7.3 |
| Efectos Termoeléctricos (Incl. Seebeck, Peltier y Thomson) | Electricidad\(\updownarrow\) Calor | Enfriador termoeléctrico, Dispositivo Peltier, Termopar | 8.7 |
| Descarga (batería o pila de combustible) |
Energía Química\(\downarrow\) Electricidad |
Batería, pila de combustible | 9 |
| Carga (batería o pila de combustible) |
Electricidad\(\downarrow\) Química Energía |
Batería, pila de combustible | 9 |
| Emisión Termiónica |
\(\downarrow\)Electricidad de Calor |
Dispositivo Termiónico | 10.1 |
| Efecto electrohidrodinámico | Flujo\(\updownarrow\) de fluido eléctrico | Bomba Microfluídica, Válvula | 10.5 |
| Dispositivo | Similar a Component | Formas de Energía | Sección Discutida |
|---|---|---|---|
| Dispositivo piezoeléctrico | Capacitor | Electricidad Energía\(\updownarrow\) Mecánica | 2.3 |
| Dispositivo piroeléctrico | Capacitor | Electricidad\(\updownarrow\) Calor | 3 |
| Dispositivo electroóptico | Capacitor | Polarización de\(\updownarrow\) material de energía óptica | 3.2 |
| Antena | Inductor | Electricidad\(\updownarrow\) Electromagnética | 4 |
| Dispositivo de efecto Hall | Inductor | Electricidad Energía\(\updownarrow\) Magnética | 5 |
| Dispositivo Magnetohidrodinámico | Inductor |
Electricidad Energía\(\updownarrow\) Magnética |
5.2 |
| Celda Solar | Diodo |
Energía óptica\(\downarrow\) Electricidad |
6 |
| LED, láser | Diodo |
Electricidad Energía\(\downarrow\) óptica |
7 |
| Dispositivo Termoeléctrico | Diodo |
Electricidad\(\updownarrow\) Calor |
8.7 |
| Contador Geiger | Diodo |
\(\downarrow\)Electricidad por Radiación |
10.2 |
| Resistencia Temp. Detector | Resistor |
\(\downarrow\)Electricidad de Calor |
10.4 |
| Potenciómetro | Resistor |
Electricidad\(\downarrow\) Calor |
10.4 |
| Calibrador de tensión | Resistor |
Energía Mecánica\(\downarrow\) Electricidad |
10.4 |
Los procesos de conversión de energía capacitiva se discuten en los capítulos 2 y 3. Se discuten los capacitores, los dispositivos piezoeléctricos, los dispositivos piroeléctricos y los dispositivos electroópticos. Un dispositivo piezoeléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica directamente en electricidad o convierte la electricidad directamente en energía mecánica [6] [3]. Una polarización y voltaje del material se desarrollan cuando el dispositivo piezoeléctrico se comprime. Un dispositivo piroeléctrico convierte un diferencial de temperatura en electricidad [6]. El cambio de temperatura induce una polarización del material y una tensión en el material. Los dispositivos electroópticos convierten un campo electromagnético óptico en energía de una polarización material. En estos dispositivos, un campo óptico externo típicamente de un láser induce una polarización de material y una tensión a través del material. Los capítulos 4 y 5 discuten los dispositivos de conversión de energía inductiva que incluyen antenas, dispositivos de efecto Hall y dispositivos magnetohidrodinámicos. Una antena convierte la energía eléctrica en un campo electromagnético o viceversa. Un dispositivo de efecto Hall convierte un campo magnético hacia o desde la electricidad. Un dispositivo magnetohidrodinámico convierte la energía cinética de un material conductor en presencia de un campo magnético en electricidad.
Los dispositivos ópticos se discuten en los Capítulos 6 y 7. Estos capítulos discuten dispositivos hechos de uniones pn similares a diodos como células solares, LED y láseres semiconductores, así como otros tipos de dispositivos como lámparas incandescentes y láseres de gas. Los dispositivos termoeléctricos convierten un diferencial de temperatura en electricidad [3, p. 146]. También están hechos de uniones de materiales en los que el calor y las cargas fluyen a diferentes velocidades, y se discuten en el Capítulo 8. Las baterías y las pilas de combustible se discuten en el Capítulo 9. Una batería es un dispositivo que almacena energía como potencial químico. Las baterías varían en tamaño desde pequeñas baterías del tamaño de un botón de audífono que almacenan decenas de miliamperios-horas de carga hasta baterías de automóviles grandes que pueden almacenar 10,000 veces más energía. Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica a través de la oxidación de un combustible [3]. Durante el funcionamiento de la batería, los electrodos se consumen, y durante el funcionamiento de la pila de combustible, el combustible y el oxidante se consumen en su lugar. Una variedad de dispositivos de conversión de energía similares a resistencias, entre otros dispositivos, se discuten brevemente en el Capítulo 10.
Los capítulos 11 a 14 comprenden la segunda parte de este libro. Estos capítulos son más teóricos, y establecen un marco matemático para entender la conversión energética. Esta matemática permite estudiar las relaciones entre los dispositivos de conversión de energía construidos por ingenieros eléctricos, ingenieros mecánicos, químicos y científicos de otras disciplinas. Los capítulos 11 y 12 introducen la idea de cálculo de variaciones y la aplican a una amplia variedad de procesos de conversión de energía. El capítulo 13 aplica la idea de cálculo de variaciones a la conversión de energía dentro de un átomo individual. El capítulo 14 muestra cómo un estudio de las simetrías de las ecuaciones producidas a partir del cálculo de variaciones puede proporcionar más información sobre los procesos de conversión de energía.