エネルギー変換 — 電気、熱、機械、光

エネルギーの概念はあらゆる科学で使用されます。エネルギー体が仕事をすることができることも知られています。 エネルギー保存の法則 エネルギーは消滅することはなく、無から生成することもできず、さまざまな形で（たとえば、熱、機械、光、電気エネルギーなどの形で）現れると述べています。

ある形式のエネルギーが別の形式に移行することがあり、同時に異なる種類のエネルギーの正確な量的比率が観察されます。一般的に、他の（ほとんどが望ましくない）種類のエネルギーが常に存在するため、ある形式のエネルギーから別の形式への移行が完了することはありません。例えば、 電気モーターの中で すべての電気エネルギーが機械エネルギーに変換されるわけではありませんが、その一部は熱エネルギー（電流によるワイヤの加熱、摩擦力の作用による加熱）に変換されます。

ある種類のエネルギーから別の種類のエネルギーへの不完全な移行という事実は、効率係数（効率）を特徴付けます。この係数は、有効エネルギーの総量に対する比率、または有効電力の総量に対する比率として定義されます。

電気エネルギー 長距離にわたって比較的容易に低損失で伝送できるという利点があり、さらに非常に幅広い用途があります。電気エネルギーの分布は管理が比較的簡単で、既知の量で保存および保存できます。

人は 1 日の勤務中に平均 1000 kJ、または 0.3 kW のエネルギーを使用します。人は食料として約 8000 kJ、家庭、工場施設、調理などの暖房に 8000 kJ を必要とします。 kcal、または60kWh

電気エネルギーと機械エネルギー

電気エネルギーは電気モーターで機械エネルギーに変換されますが、程度は低いです。 電磁石で… どちらの場合も、関連する影響 電磁場を使って… エネルギー損失、つまり目的の形に変換されないエネルギー部分は、主に電流損失と摩擦損失による電熱線のエネルギーコストで構成されます。

大型の電気モーターの効率は 90% を超えますが、小型の電気モーターの効率はこのレベルをわずかに下回ります。たとえば、電気モーターの出力が 15 kW、効率が 90% である場合、その機械的 (有効) 出力は 13.5 kW になります。電気モーターの機械的出力が 15 kW に等しい場合、同じ効率値で消費される電力は 16.67 kWh になります。

電気エネルギーを機械エネルギーに変換するプロセスは可逆的です。つまり、機械エネルギーを電気エネルギーに変換できます（—を参照） 電気機械におけるエネルギー変換プロセス）。この目的のために主に使用されます 発電機これは電気モーターと設計が似ており、蒸気タービンまたは水力タービンによって駆動できます。これらの発電機にもエネルギー損失があります。

電気エネルギーと熱エネルギー

電線が流れている場合 電気、その後、その移動中の電子が導体の材料の原子と衝突し、より激しい熱運動を引き起こします。この場合、電子はエネルギーの一部を失います。結果として生じる熱エネルギーは、一方では、たとえば電気機械の部品や巻線の温度の上昇をもたらし、他方では環境の温度の上昇をもたらします。有用な熱エネルギーと熱損失を区別する必要があります。

電気加熱装置（電気ボイラー、アイロン、ストーブなど）では、電気エネルギーが可能な限り完全に熱エネルギーに変換されるように努めることをお勧めします。これは、たとえば送電線や電気モーターの場合には当てはまりません。発生する熱エネルギーは望ましくない副作用であるため、多くの場合、熱エネルギーを除去する必要があります。

その後の体温の上昇の結果、熱エネルギーが環境に伝達されます。熱エネルギー伝達のプロセスは次の形式で行われます。 熱伝導、対流、熱放射… ほとんどの場合、放出される熱エネルギーの総量を正確に定量的に見積もることは非常に困難です。

物体を加熱する場合、その最終温度の値は必要な加熱温度よりも大幅に高くなければなりません。これは、環境への熱エネルギーの伝達を最小限に抑えるために必要です。

逆に、体温の上昇が望ましくない場合は、システムの最終温度の値を小さくする必要があります。この目的のために、身体からの熱エネルギーの除去を容易にする条件が作成されます（身体と環境との接触面積が大きく、強制換気）。

電線内で発生する熱エネルギーにより、電線に許容される電流量が制限されます。導体の最大許容温度は、その絶縁体の熱抵抗によって決まります。特定の情報の転送を確実にするためです。 電気力、可能な限り低い電流値を選択し、それに応じて高い電圧値を選択する必要があります。このような条件下では、線材のコストが削減されます。したがって、高出力の電気エネルギーを高電圧で伝送することが経済的に可能です。

熱エネルギーから電気エネルギーへの変換

熱エネルギーはいわゆる電気エネルギーに直接変換されます。 熱電変換器… 熱電変換器の熱電対は、異なる材料 (銅とコンスタンタンなど) で作られ、一端で半田付けされた 2 つの金属導体で構成されます。

接続点と 2 本のワイヤの他の 2 端の間に一定の温度差があると、 電磁波、最初の近似では、この温度差に直接比例します。この熱起電力は数ミリボルトに相当し、高感度の電圧計を使用して記録できます。電圧計が摂氏で校正されている場合、熱電変換​​器と組み合わせて、得られたデバイスを直接温度測定に使用できます。

変換電力が低いため、このようなコンバータは電気エネルギー源としては実際には使用されません。熱電対の製造に使用される材料に応じて、異なる温度範囲で動作します。比較のために、さまざまな熱電対のいくつかの特性を示すことができます。銅コンスタンタン熱電対は 600 °C まで適用可能で、EMF は 100 °C で約 4 mV です。鉄定数熱電対は 800 °C まで適用可能で、EMF は 100 °C で約 5 mV です。

熱エネルギーから電気エネルギーへの変換の実用化例 — 熱電発電機

電気と光エネルギー

物理学的に言えば、光は 電磁放射、これは電磁波のスペクトルの特定の部分に対応し、人間の目で認識できます。電磁波のスペクトルには、電波、熱、X線も含まれます。見て - 基本的な光量とその割合

熱放射およびガス放電の結果として電気エネルギーを使用して光放射を得ることが可能です。熱（温度）放射は固体または液体の加熱の結果として発生し、加熱により異なる波長の電磁波を放射します。熱放射の強度の分布は温度に依存します。

温度が上昇すると、最大放射強度はより短い波長の電磁振動に移行します。約 6500 K の温度では、最大放射強度は 0.55 μm の波長で発生します。人間の目の最大感度に対応する波長で。もちろん、照明の目的では、固体をそのような温度まで加熱することはできません。

タングステンは最高の加熱温度に耐えます。真空ガラス瓶では2100℃まで加熱でき、それ以上の温度では蒸発し始めます。いくつかのガス（窒素、クリプトン）を追加すると蒸発プロセスを遅くすることができ、加熱温度を3000℃まで上げることができます。

結果として生じる対流の結果としての白熱電球の損失を減らすために、フィラメントは一重または二重螺旋の形で作られています。しかし、こうした対策を講じたにもかかわらず、 白熱灯の発光効率は20lm/Wです、これは理論的に達成可能な最適値からはまだかなり遠いです。熱放射源では、ほとんどの電気エネルギーが光ではなく熱エネルギーに変換されるため、効率が非常に低くなります。

ガス放電光源では、電子がガスの原子または分子と衝突し、それによって特定の波長の電磁波が放射されます。ガスの全体積は電磁波の放射プロセスに関与しており、一般に、そのような放射線のスペクトル線は常に可視光の範囲内にあるとは限りません。現在、照明には LED 光源が最も広く使用されています。見て - 産業施設用の光源の選択. 

光エネルギーから電気エネルギーへの変換

光エネルギーは電気エネルギーに変換でき、この変換は物理的な観点から 2 つの異なる方法で可能です。このエネルギー変換は、光電効果 (光電効果) の結果である可能性があります。光電効果を実現するには、フォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトレジスタが使用されます。

いくつかの境界面で 半導体 (ゲルマニウム、シリコンなど) と金属の場合、接触する 2 つの材料の原子が電子を交換する境界領域が形成されます。光が境界ゾーンに当たると、その中の電気平衡が乱され、その結果EMFが発生し、その作用により外部閉回路に電流が発生します。 EMF、したがって電流の値は、入射光束と放射線の波長に依存します。

一部の半導体材料はフォトレジスタとして使用されます。フォトレジスタへの光の影響により、フォトレジスタ内の電荷の自由キャリアの数が増加し、その電気抵抗が変化します。電気回路にフォトレジスタを含める場合、この回路内の電流は依存します。フォトレジスタに当たる光のエネルギーに依存します。

も参照 — 太陽エネルギーを電気に変換するプロセス

化学エネルギーと電気エネルギー

酸、塩基、および塩 (電解質) の水溶液は多かれ少なかれ電流を流します。 物質の電気的解離現象… 溶質分子の一部 (この部分の大きさによって解離の程度が決まります) はイオンの形で溶液中に存在します。

溶液中に電位差が適用される 2 つの電極がある場合、イオンは移動を開始し、正に帯電したイオン (カチオン) は陰極に向かって移動し、負に帯電したイオン (陰イオン) は陽極に向かって移動します。

対応する電極に到着すると、イオンは失われた電子を獲得するか、逆に追加の電子を放棄し、その結果電気的に中性になります。電極上に堆積される材料の質量は、転送された電荷に直接比例します (ファラデーの法則)。

電極と電解質の境界領域では、金属の溶解弾性と浸透圧が拮抗します。 (浸透圧により、電解質から電極上に金属イオンが析出します。この化学プロセスのみが電位差の原因となります)。

電気エネルギーから化学エネルギーへの変換

イオンの移動の結果として電極上に物質を堆積させるには、電気エネルギーを消費する必要があります。このプロセスは電気分解と呼ばれます。電気エネルギーから化学エネルギーへのこの変換は、化学的に純粋な形態で金属 (銅、アルミニウム、亜鉛など) を得るために電気冶金学で使用されます。

電気めっきでは、積極的に酸化する金属を不動態的な金属（金めっき、クロムめっき、ニッケルめっきなど）で覆います。電鋳では、三次元の印象 (決まり文句) がさまざまな物体で作られますが、そのような物体が非導電性材料で作られている場合は、印象を作成する前に導電性の層で覆う必要があります。

化学エネルギーから電気エネルギーへの変換

異なる金属でできた 2 つの電極を電解液に入れると、これらの金属の溶解弾性の違いにより、電極間に電位差が生じます。電気エネルギーの受信器、たとえば抵抗器を電解質の外側の電極間に接続すると、結果として生じる電気回路に電流が流れます。仕組みは次のとおりです ガルバニ電池 (一次要素)。

最初の銅亜鉛ガルバニ電池は Volta によって発明されました。これらの元素では、化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。ガルバニ電池の動作は、電極上に物質が堆積した結果として発生する分極現象によって妨げられることがあります。

すべてのガルバニ電池には、化学エネルギーが電気エネルギーに不可逆的に変換される、つまり、ガルバニ電池は再充電できないという欠点があります。彼らにはこの欠点がない アキュムレータ.