1.2: Попередній перегляд тем

Ця книга покликана як проілюструвати окремі технології перетворення енергії, так і висвітлити взаємозв'язок між ними. З цієї причини він організований в дві частини. Перша частина - це огляд процесів перетворення енергії. Друга частина вводить обчислення варіацій і використовує його як основу для зв'язку процесів перетворення енергії.

Через велику різноманітність неможливо детально обговорити всі пристрої перетворення енергії, навіть всі прямі пристрої. Однак, вивчаючи на прикладі процесів прямого перетворення енергії, ми можемо отримати розуміння непрямих процесів та інших застосувань. Пристрої, розглянуті в цій книзі, передбачають перетворення енергії між електричною формою та іншою формою. Додатково про пристрої за участю магнітів і котушок обговорюватися не будуть. Багато корисних пристроїв, включаючи двигуни, генератори, вітрові турбіни та геотермальні електростанції, перетворюють енергію електромагнітним шляхом за допомогою магнітів і котушок. Приблизно 90% електроенергії, що подається в електричну мережу в США, надходить від генераторів, які використовують магніти і котушки [1]. Також близько 2/3 до 3/4 енергії, що використовується виробничими потужностями, йде в бік двигунів [2, гл. 1]. Однак існує безліч хороших ресурсів, що обговорюють ці теми. Крім того, в цій книзі акцентується увага на пристроях, які працюють поблизу кімнатної температури і при відносно невеликій потужності (<1 кВт). Багато цікаві пристрої, такі як атомні електростанції, працюють при високих температурах. Однією з причин не обговорювати більш потужні пристрої є те, що переважна більшість великих електричних генераторів, що використовуються сьогодні, включають турбіни з котушками і магнітами. Ще одна причина полягає в тому, що ці пристрої часто обмежені матеріальними міркуваннями. Пошук матеріалів для побудови високотемпературних пристроїв є складною проблемою, але це не мета цієї книги. Крім того, в цій книзі обговорюються лише технології, комерційно доступні сьогодні на ринку. Також існує багато якісних текстів на теми відновлюваних та альтернативних джерел енергії. З цієї причини ця книга не буде зосереджена на відновлюваних або альтернативних енергетичних технологіях. Такі теми, як вітрові турбіни, які передбачають електромеханічне перетворення енергії за допомогою магнітів і котушок, не обговорюються. Сонячні елементи, п'єзоелектричні пристрої та інші пристрої прямого перетворення енергії обговорюються і можуть вважатися як пристроями прямого перетворення енергії, так і пристроями відновлюваної енергії.

Хоча існує кілька книг про пряме перетворення енергії, є кілька речей, які відрізняють цю книгу. По-перше, багато книг про пряме перетворення енергії, включаючи [3] і [4], написані на рівні випускників, тоді як ця книга орієнтована на більш широку аудиторію. Ця книга використовується для курсу Direct Energy Conversion, який викладається в Trine University, який є молодшим курсом бакалаврату для інженерів-електриків. Ця книга не призначена тільки для студентів-електротехніків. Він також орієнтований на дослідників, які цікавляться тим, як вивчається перетворення енергії вченими та інженерами з інших дисциплін. Ідея перетворення енергії є основоположною для фізики, хімії, машинобудування та багатьох інших дисциплін. Ця книга розглядає фундаментальну фізику, що стоїть за процесами перетворення енергії, вводить використовувану термінологію та пов'язує поняття матеріалознавства, що використовуються для будівельних пристроїв. Глави були написані так, що хтось, хто не є дизайнером антен, наприклад, може прочитати відповідну главу як вступ та отримати уявлення про деякі термінології та ключові поняття, що використовуються дослідниками електромагнітики. По-друге, кілька хороших книг на цю тему, в тому числі [3] і [5] були написані десятиліття тому. Концепції цих книг залишаються актуальними, і ці книги часто передбачали, які технології будуть цікаві. Однак існує потреба у книзі, в якій обговорюються найбільш доступні та поширені технології прямого перетворення енергії, що використовуються сьогодні. Крім того, багато з цих класичних текстів вийшли з друку, і потрібні сучасні тексти.

Передбачається, що читач буде знайомий з вступною хімією і фізикою. Довідкова інформація в електричних схемах та матеріалах також може бути корисною. Математика через обчислення I використовується в першій частині книги, а математика через обчислення III (включаючи часткові похідні) використовується у другій частині. Багато тем в цьому тексті обговорюються якісно. Не робиться жодної спроби бути математично суворим, і докази не даються. Фізика приладів підкреслюється над надмірною математикою. Крім того, всі фізичні системи будуть обговорюватися напівкласично, а це означає, що пояснення будуть включати електрони та електромагнітні поля, але подвійність хвилечастинок цих величин обговорюватися не буде. Хоча квантові механічні, квантові поля теоретичні та інші більш точні теорії існують для опису багатьох фізичних ситуацій, напівкласичні дискусії будуть використані, щоб зробити цю книгу більш доступною для читачів без досвіду в квантовій механіці.

Глави 2 - 10 складають першу частину цієї книги. Як згадувалося вище, вони досліджують різні процеси прямого перетворення енергії, які перетворюються в електрику або з неї і які не включають магніти та котушки. Таблиця\(\PageIndex{1}\) перераховує багато досліджуваних процесів разом з тим, де в тексті вони обговорюються, а в таблиці\(\PageIndex{2}\) наведено деякі пристрої докладно. Цей текст не призначений для енциклопедичного або повного. Натомість він покликаний виділити фізику, що стоїть за деякими з найбільш широко доступних і доступних пристроїв перетворення енергії, які перетворюють в електричну енергію або з неї. Один із способів зрозуміти пристрої перетворення енергії, що використовуються для перетворення в електрику або з неї, - класифікувати їх як найбільш схожі на конденсатори, індуктори, резистори або діоди. Хоча не всі пристрої акуратно вписуються в ці категорії, багато хто робить. У другому стовпці таблиці\(\PageIndex{2}\) наведено категорію для різних пристроїв. Подібним чином процеси перетворення енергії можуть бути ємнісними, індуктивними, резистивними або діодними.

Таблиця\(\PageIndex{1}\)

Процес	форми енергії	Приклади пристроїв	Обговорюється в розділі
П'єзоелектрика	Електрика\(\updownarrow\) Механічна енергія	П'єзоелектричний датчик вібрації, електретний мікрофон	2.3
Піроелектрика	Електрика\(\updownarrow\) Тепло	Піроелектричний інфрачервоний детектор	3
Електрооптичний ефект	Оптична електромагнітна енергія Поляризація\(\updownarrow\) матеріалу	Керована оптика, рідкокристалічні дисплеї	3.2
Електромагнітна передача і прийом	Електрика\(\updownarrow\) Електромагнітна енергія	Антена	4
Ефект Холла	Електрика\(\updownarrow\) Магнітна енергія	Пристрій ефекту Холла	5
Магнітогідродинамічний ефект	Електрика\(\updownarrow\) Магнітна енергія	Магнітогідродинамічний пристрій	5.2
Поглинання	Оптична електромагнітна енергія\(\downarrow\) Електрика	Сонячна батарея, напівпровідниковий оптичний фотоприймач	6
Спонтанне випромінювання	Електрика\(\downarrow\) Оптична електромагнітна енергія	Лампа, світлодіодна	7.2
Стимульовані викиди	Електрика\(\downarrow\) Оптична електромагнітна енергія	Лазер, оптичний підсилювач	7.3
Термоелектричні ефекти (включаючи Зеебека, Пельтьє і Томсона)	Електрика\(\updownarrow\) Тепло	Термоелектричний охолоджувач, пристрій Пельтьє, Термопара	8.7
(Акумулятор або паливний елемент) Розрядка	Хімічна енергія\(\downarrow\) Електрика	Акумулятор, паливний елемент	9
(Акумулятор або паливний елемент) Зарядка	Електрика\(\downarrow\) Хімічна енергія	Акумулятор, паливний елемент	9
Термоелектронна емісія	Тепло\(\downarrow\) Електрика	Термоіонний пристрій	10.1
Електрогідродинамічний ефект	Електрика Потік\(\updownarrow\) рідини	Мікрофлюїдний насос, клапан	10.5

Таблиця\(\PageIndex{2}\)

Пристрій	Схожий на Компонент	форми енергії	Обговорюваний розділ
п'єзоелектричний пристрій	Конденсатор	Електрика\(\updownarrow\) Механічна енергія	2.3
Піроелектричний пристрій	Конденсатор	Електрика\(\updownarrow\) Тепло	3
Електрооптичні пристрої	Конденсатор	Оптична енергія\(\updownarrow\) Матеріал поляризації	3.2
Антена	Індуктор	\(\updownarrow\)Електромагнітне електромагнітне	4
Пристрій ефекту Холла	Індуктор	Електрика\(\updownarrow\) Магнітна енергія	5
Магнітогідродинамічний пристрій	Індуктор	Електрика\(\updownarrow\) Магнітна енергія	5.2
Сонячна батарея	Діод	Оптична енергія\(\downarrow\) Електрика	6
Світлодіодний, Лазер	Діод	Електрика\(\downarrow\) Оптична енергія	7
Термоелектричний пристрій	Діод	Електрика\(\updownarrow\) Тепло	8.7
Лічильник Гейгера	Діод	Радіаційна\(\downarrow\) електрика	10.2
Опір Temp. Детектор	Резистор	Тепло\(\downarrow\) Електрика	10.4
Потенціометр	Резистор	Електрика\(\downarrow\) Тепло	10.4
Тензодатчик	Резистор	Механічна енергія\(\downarrow\) Електрика	10.4

Ємнісні процеси перетворення енергії розглядаються в розділах 2 і 3. Обговорюються конденсатори, п'єзоелектричні пристрої, піроелектричні пристрої, електрооптичні пристрої. П'єзоелектричний пристрій - це пристрій, який перетворює механічну енергію безпосередньо в електрику або перетворює електрику безпосередньо в механічну енергію [6] [3]. Матеріальна поляризація та напруга розвиваються при стисненні п'єзоелектричного пристрою. Піроелектричний пристрій перетворює перепад температур в електрику [6]. Зміна температури викликає поляризацію матеріалу і напругу в матеріалі. Електрооптичні прилади перетворюють оптичне електромагнітне поле в енергію поляризації матеріалу. У цих пристроях зовнішнє оптичне поле, як правило, від лазера індукує поляризацію матеріалу та напругу на матеріалі. У розділах 4 та 5 обговорюються пристрої індуктивного перетворення енергії, включаючи антени, пристрої ефекту Холла та магнітогідродинамічні пристрої. Антена перетворює електричну енергію в електромагнітне поле або навпаки. Пристрій з ефектом Холла перетворює магнітне поле в електрику або з неї. Магнітогідродинамічний пристрій перетворює кінетичну енергію провідного матеріалу в присутності магнітного поля в електрику.

Оптичні пристрої розглядаються в розділах 6 і 7. У цих розділах обговорюються пристрої, виготовлені з діодно-подібних pn переходів, таких як сонячні елементи, світлодіоди та напівпровідникові лазери, а також інші типи пристроїв, таких як лампи розжарювання та газові лазери. Термоелектричні прилади перетворюють перепад температур в електрику [3, с. 146]. Вони також виготовляються з стиків матеріалів, в яких тепло і заряди протікають з різною швидкістю, і вони розглянуті в главі 8. Акумулятори та паливні елементи розглянуті в розділі 9. Акумулятор - це пристрій, який зберігає енергію як хімічний потенціал. Акумулятори варіюються за розміром від крихітних акумуляторів із кнопками слухового апарату, які зберігають десятки міліампер-годин заряду, до великих автомобільних акумуляторів, які можуть зберігати в 10 000 разів більше енергії. Паливний елемент - це пристрій, який перетворює хімічну енергію в електричну за допомогою окислення палива [3]. Під час роботи акумулятора електроди витрачаються, а під час роботи паливного елемента замість нього витрачається паливо і окислювач. Різноманітні резисторно-подібні пристрої перетворення енергії, серед інших пристроїв, коротко розглянуті в главі 10.

Розділи 11 - 14 складають другу частину цієї книги. Ці глави є більш теоретичними, і вони встановлюють математичну основу для розуміння перетворення енергії. Ця математика дозволяє вивчати зв'язки між пристроями перетворення енергії, побудованими інженерами-електриками, інженерами-механіками, хіміками та вченими інших дисциплін. Глави 11 і 12 представляють ідею обчислення варіацій і застосовують її до найрізноманітніших процесів перетворення енергії. Глава 13 застосовує ідею обчислення варіацій до перетворення енергії всередині окремого атома. Глава 14 показує, як вивчення симетрій рівнянь, отриманих на основі обчислення варіацій, може дати подальше уявлення про процеси перетворення енергії.