1.1: Was ist direkte Energieumwandlung?

Energieumwandlungsgeräte wandeln zwischen elektrischen, magnetischen, kinetischen, potentiellen, optischen, chemischen, nuklearen und anderen Energieformen um. Energieumwandlungsprozesse finden auf natürliche Weise statt. Zum Beispiel wird Energie von optischer elektromagnetischer Strahlung in Wärme umgewandelt, wenn Sonnenlicht ein Haus erwärmt, und Energie wird von potentieller Energie in kinetische Energie umgewandelt, wenn ein Blatt von einem Baum fällt. Alternativ werden Energieumwandlungsgeräte von einer Vielzahl von Wissenschaftlern und Ingenieuren entwickelt und hergestellt. Diese Energieumwandlungsvorrichtungen reichen von winzigen Komponenten integrierter Schaltkreise wie Thermoelementen, die zur Temperaturmessung verwendet werden, indem Mikrowatt Leistung von Wärmeenergie in Elektrizität umgewandelt werden, bis hin zu riesigen Kohlekraftwerken, die Gigawatt Energie, die in den chemischen Bindungen von Kohle gespeichert ist, in Elektrizität umwandeln.

Ein Gerät zur direkten Energieumwandlung wandelt eine Energieform in einem einzigen Prozess in eine andere um. Zum Beispiel ist eine Solarzelle eine direkte Energieumwandlungsvorrichtung, die optische elektromagnetische Strahlung in Elektrizität umwandelt. Während ein Teil des Sonnenlichts, das auf eine Solarzelle fällt, diese stattdessen erwärmen kann, ist dieser Effekt für den Betrieb der Solarzelle nicht von grundlegender Bedeutung. Alternativ beinhalten indirekte Energieumwandlungsvorrichtungen eine Reihe von direkten Energieumwandlungsprozessen. Zum Beispiel beinhalten einige Solarkraftwerke die Umwandlung von optischer elektromagnetischer Strahlung in Elektrizität durch Erhitzen einer Flüssigkeit, so dass sie verdampft. Die Verdampfung und Expansion des Gases in einem Rotor einer Turbine. Die Energie aus der mechanischen Bewegung des Rotors wird in ein zeitlich variierendes Magnetfeld umgewandelt, das dann in einen elektrischen Wechselstrom in den Spulen des Generators umgewandelt wird.

Dieser Text konzentriert sich auf direkte Energieumwandlungsvorrichtungen, die zwischen elektrischer Energie und einer anderen Form umwandeln. Aufgrund der Vielzahl von Geräten, die in diese Kategorie passen, ist die Energieumwandlung ein wichtiges Thema für alle Arten von Elektrotechnikern. Einige Elektroingenieure spezialisieren sich auf Gebäudeinstrumentationssysteme. Viele Sensoren, die von diesen Ingenieuren verwendet werden, sind direkte Energieumwandlungsvorrichtungen, einschließlich Dehnungsmessstreifen zur Messung des Drucks, Hall-Effekt-Sensoren zur Messung des Magnetfelds und piezoelektrische Sensoren zur Erkennung mechanischer Schwingungen. Die in einem Sensor erzeugte elektrische Energie kann so gering sein, dass eine Verstärkung erforderlich ist. Andere Elektroingenieure spezialisieren sich auf die Produktion und Verteilung von elektrischer Energie. Batterien und Solarzellen sind direkte Energieumwandlungsgeräte, die zur Speicherung und Erzeugung von Strom verwendet werden. Sie sind besonders nützlich an abgelegenen Orten oder in Handgeräten, bei denen es keine einfache Möglichkeit gibt, eine Verbindung zum Stromnetz herzustellen. In ähnlicher Weise werden direkte Energieumwandlungsvorrichtungen wie thermoelektrische Vorrichtungen und Brennstoffzellen verwendet, um Satelliten, Rover und andere Luft- und Raumfahrtsysteme mit Strom zu versorgen. Viele Elektrotechniker arbeiten in der Automobilindustrie. Direkte Energieumwandlungsvorrichtungen, die in Autos gefunden werden, umfassen Batterien, optische Kameras, Halleffektsensoren im Drehzahlmesser, die zur Messung der Drehzahl verwendet werden, und Drucksensoren.

Die direkte Energieumwandlung ist ein faszinierendes Thema, weil sie nicht in eine einzige Disziplin passt. Die Energieumwandlung ist für die Bereiche der Elektrotechnik von grundlegender Bedeutung, aber auch für den Maschinenbau, die Physik, die Chemie und andere Bereiche der Wissenschaft und Technik. Zum Beispiel sind Federn Energiespeicher, die oft von Maschinenbauingenieuren untersucht werden, Kondensatoren sind Energiespeicher, die oft von Elektroingenieuren untersucht werden, und Batterien sind Energiespeicher, die oft von Chemikern untersucht werden. Dementsprechend sind Energiespeicher und Energieumwandlungsvorrichtungen wie Federn, Kondensatoren und Batterien nicht esoterisch. Sie sind alltäglich, billig und weit verbreitet. Während sie in Alltagsgegenständen zu finden sind, sind sie auch aktive Themen der zeitgenössischen Forschung. Zum Beispiel sind Laptop-Computer durch die Lebensdauer der Batterien begrenzt, und der Empfang von Mobiltelefonen wird oft durch die Qualität einer Antenne begrenzt. Batterien, Antennen und andere Geräte zur direkten Energieumwandlung werden sowohl von Verbraucherunternehmen untersucht, die versuchen, bessere Produkte zu bauen, als auch von akademischen Forschern, die versuchen, die Grundlagenphysik zu verstehen.

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