1.1: Che cosa è la conversione di energia diretta?

I dispositivi di conversione energetica convertono tra energia elettrica, magnetica, cinetica, potenziale, ottica, chimica, nucleare e altre forme di energia. I processi di conversione dell’energia avvengono naturalmente. Ad esempio, l’energia viene convertita dalla radiazione elettromagnetica ottica in calore quando la luce solare riscalda una casa e l’energia viene convertita dall’energia potenziale in energia cinetica quando una foglia cade da un albero. In alternativa, i dispositivi di conversione energetica sono progettati e realizzati da una vasta gamma di scienziati e ingegneri. Questi dispositivi di conversione dell’energia vanno da minuscoli componenti di circuiti integrati come le termocoppie che vengono utilizzate per rilevare la temperatura convertendo microwatt di energia dall’energia termica all’elettricità a enormi centrali elettriche a carbone che convertono gigawatt di energia immagazzinata nei legami chimici del carbone in elettricità.

Un dispositivo di conversione di energia diretta converte una forma di energia in un’altra attraverso un singolo processo. Ad esempio, una cella solare è un dispositivo di conversione di energia diretta che converte la radiazione elettromagnetica ottica in elettricità. Mentre una parte della luce solare che cade su una cella solare può riscaldarlo, invece, tale effetto non è fondamentale per il funzionamento della cella solare. In alternativa, i dispositivi di conversione dell’energia indiretta implicano una serie di processi di conversione diretta dell’energia. Ad esempio, alcune centrali solari comportano la conversione della radiazione elettromagnetica ottica in elettricità riscaldando un fluido in modo che evapori. L’evaporazione e l’espansione del gas fanno girare un rotore di una turbina. L’energia dal movimento meccanico del rotore viene convertita in un campo magnetico variabile nel tempo che viene poi convertito in una corrente elettrica alternata nelle bobine del generatore.

Questo testo si concentra sui dispositivi di conversione diretta dell’energia che convertono tra energia elettrica e un’altra forma. A causa della grande varietà di dispositivi che rientrano in questa categoria, la conversione di energia è un argomento importante per tutti i tipi di ingegneri elettrici. Alcuni ingegneri elettrici sono specializzati nella costruzione di sistemi di strumentazione. Molti sensori utilizzati da questi ingegneri sono dispositivi di conversione diretta dell’energia, tra cui estensimetri utilizzati per misurare la pressione, sensori ad effetto hall che misurano il campo magnetico e sensori piezoelettrici utilizzati per rilevare le vibrazioni meccaniche. L’energia elettrica prodotta in un sensore può essere così piccola che è necessaria l’amplificazione. Altri ingegneri elettrici specializzati nella produzione e distribuzione di energia elettrica. Le batterie e le celle solari sono dispositivi di conversione diretta dell’energia utilizzati per immagazzinare e generare elettricità. Sono particolarmente utili in luoghi remoti o in gadget portatili dove non esiste un modo semplice per connettersi alla rete elettrica. Relatedly, i dispositivi diretti di conversione di energia quali i dispositivi termoelettrici e le celle a combustibile sono usati per alimentare i satelliti, i rover ed altri sistemi aerospaziali. Molti ingegneri elettrici lavorano nel settore automobilistico. I dispositivi di conversione dell’energia diretta trovati nelle auto includono batterie, telecamere ottiche, sensori ad effetto hall nel contagiri utilizzati per misurare la velocità di rotazione e sensori di pressione.

La conversione diretta dell’energia è un argomento affascinante perché non si adatta perfettamente a una singola disciplina. La conversione dell’energia è fondamentale per i campi dell’ingegneria elettrica, ma è anche fondamentale per l’ingegneria meccanica, la fisica, la chimica e altri rami della scienza e dell’ingegneria. Ad esempio, le molle sono dispositivi di accumulo di energia spesso studiati da ingegneri meccanici, i condensatori sono dispositivi di accumulo di energia spesso studiati da ingegneri elettrici e le batterie sono dispositivi di accumulo di energia spesso studiati dai chimici. Relatedly, stoccaggio di energia e dispositivi di conversione di energia, come molle, condensatori e batterie, non sono esoterici. Sono comuni, economici e ampiamente disponibili. Mentre si trovano negli oggetti di uso quotidiano, sono anche soggetti attivi della ricerca contemporanea. Ad esempio, i computer portatili sono limitati dalla durata delle batterie e la ricezione del telefono cellulare è spesso limitata dalla qualità di un’antenna. Batterie, antenne e altri dispositivi di conversione diretta dell’energia sono studiati da entrambe le società di consumo che cercano di costruire prodotti migliori e ricercatori accademici che cercano di capire la fisica fondamentale.

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