1.2: Vista previa de temas

Este libro pretende ilustrar las tecnologías individuales de conversión de energía e iluminar la relación entre ellas. Por ello, se organiza en dos partes. La primera parte es un estudio de los procesos de conversión de energía. La segunda parte introduce el cálculo de las variaciones y lo utiliza como marco para relacionar los procesos de conversión de energía.

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.

Mesa\(\PageIndex{1}\)

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

Mesa\(\PageIndex{2}\)

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.