Физики о физиках

Открытие термоэлектричества началось с научного курьеза. Полтораста лет назад немецкий ученый Зеебек наблюдал это явление в чистом виде, но не понял или не захотел понять его. Открытый им эффект он назвал «магнитной поляризацией металлов и руд, вызванной разностью температур», всячески подчеркивая связь между теплотой и магнетизмом, не желая замечать истинного виновника этой связи — электрического тока.

Первая четверть XIX века была богата открытиями в области электричества и магнетизма. Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки под действием тока, исследования Ампера, Био и Савара показали, что электрический ток — первопричина магнитных явлений. Действительно, всякий раз, когда течет ток, возникает магнитное поле; поэтому изменение тока при нагревании контакта вызывает изменения магнитного поля. Меняющееся же магнитное поле каждый раз отклоняет магнитную стрелку на угол, соответствующий его величине.

А Зеебеку такое естественное объяснение казалось модным, но ненаучным, и он всеми силами боролся с ним. Он пытался установить связь между теплотой и магнетизмом даже в «планетарном масштабе» и объяснить земной магнетизм разностью температур между экватором и полюсом или между южными вулканами и полярными льдами. «Видимо, эта гипотеза была ближе его сердцу, чем открытие еще одного источника электрического тока», — замечает Иоффе.

Такая предвзятость позиции не помешала, однако, Зеебеку провести скрупулезные экспериментальные исследования большого количества металлов — твердых и жидких, чистых и сплавов, а также минералов и полупроводников, и накопить обширный фактический материал. Примечательно, что наибольший термоэффект был обнаружен как раз у полупроводниковых материалов, но на это никто не обратил внимания ни тогда, ни много позже.

Через двенадцать лет после Зеебека французский часовщик Пельтье наблюдал обратное явление — выделение тепла на границе разнородных проводников при прохождении по ним тока. Но и Пельтье не нашел правильного толкования открытому им эффекту.

В течение чуть ли не столетия интерес к термоэлектричеству появлялся изредка и ненадолго. Были даже построены приборы, однако их коэффициент полезного действия никак не удавалось довести до половины процента, поэтому ни о каком энергетическом использовании их не могло быть и речи. По словам Иоффе, «термоэлектричество снова перешло на задворки курсов физики».

Отчего была такая безнадежность?

Термоэлементы делали из металлов. Теплоносителем в них был «электронный газ» — свободные электроны, двигающиеся внутри кристаллической решетки. Казалось бы, повышение температуры, увеличивая кинетическую энергию электронов, должно привести к большей скорости их движения, то есть к возрастанию электрического тока. На деле такого не получилось. Только квантовая теория металлов объяснила непонятный факт: электроны при больших концентрациях — а в металле их концентрация велика — находятся в так называемом «вырожденном состоянии», когда их энергия почти не зависит от температуры.

Иоффе предложил делать термоэлементы не из металлов, а из полупроводников; электроны в них более тесно связаны с кристаллической решеткой, что влечет за собой иной, чем в металлах, механизм переноса зарядов, то есть иной «механизм» электрического тока.

Природа электропроводности полупроводников была детально раскрыта во многих трудах самого Иоффе и его учеников. Суть ее в том, что в полупроводниках два вида проводимости: электронная и «дырочная». Грубо говоря, электронная проводимость — это обычный электрический ток, движение электронов, а дырочная — движение фиктивных, несуществующих положительных зарядов, по величине равных электронам.

Что такое фиктивный заряд — снова объяснила квантовая теория. В полупроводниках не все нормальные квантовые состояния насыщены электронами. Отсутствие на положенном месте электрона, то есть отрицательного заряда, равносильно присутствию там заряда положительного той же абсолютной величины. Это и есть «дырка». Движение «дырки», то есть перемещение свободного квантового состояния из-за того, что его покидает электрон, соответствует положительному току.

Открытый механизм позволил резко увеличить коэффициент полезного действия термоэлементов. Вот что писал об этом Иоффе:

«Термоэлементы превращают тепловую энергию в электрическую без машин, без сложных конструкций. А если через термоэлемент пропускать электрический ток, то одни концы приборов нагреваются, а другие охлаждаются.

Прямое получение электроэнергии и прямое получение тепла и холода — заманчивые технические задачи, мечта инженерной мысли. Почему же электричество мы все еще производим с помощью паровых котлов, турбин и динамо-машин, а для охлаждения применяем сложные компрессорные устройства?

Дело в том, что пока электротехника ограничивалась для этих целей одними металлами, едва 0,1–0,2 процента затраченной теплоты превращались в электроэнергию, а при наибольших затратах электроэнергии достигалось охлаждение не более чем на шесть градусов.