Наследники лаборанта Синявина

Вы, конечно, помните, что в термопаре нагреваются концы двух разнородных металлов, спаянных воедино. А у разных металлов из нагретого в холодный конец уходит неодинаковое число электронов. Следовательно, холодные концы термопары приобретают разные электрические заряды. Стоит соединить их проводником — в цепи возникает движение электронов от того конца, где их больше, к концу, где их меньше. Иными словами, в цепи термопары появится ток. Он будет тем сильнее, чем больше разность температур горячего и холодного концов.

Полупроводники отличаются от проводников, например металлов, тем, что при обычной температуре они почти не проводят электрического тока. Но стоит их нагреть до нескольких сотен градусов, они становятся хорошими проводниками.

В чем здесь дело?

При низкой температуре электроны атомов полупроводника не имеют свободы, они связаны с ядрами атомов и перемещаться, образовывать ток не могут. Чтобы электрон оторвался от атома, нужно постороннее воздействие, как бы толчок. Такие «толчки» возникают при нагревании полупроводника, когда увеличиваются колебания атомов. Таким образом, повышение температуры полупроводника создает в нем армию зарядов, превращает его в проводящее тело.

Любое вещество, каким бы способом его ни получали, всегда содержит то или иное количество примесей. Это относится и к полупроводникам. В них примеси при образовании тока играют огромную роль.

Наиболее ценные в современной технике полупроводники — это германий и кремний. Если они содержат примесь мышьяка или сурьмы, то в них образуется избыток электронов, способных при нагреве переходить в холодный конец полупроводника. Но стоит в полупроводник добавить индий или галлий — физический процесс будет протекать иначе. Атомы примеси начнут притягивать к себе, захватывать освободившиеся электроны. Такая «охота» за электронами интенсивнее идет в горячем конце полупроводника. Значит, там появится много атомов полупроводника, отдавших свои электроны атомам примеси. На освободившиеся места начинают переходить электроны из холодного конца полупроводника. А это значит, что холодный конец, откуда ушли электроны, оказывается заряженным не отрицательным электричеством, как в случае с металлами, а положительным.

Преимущества такой термопары, сделанной из полупроводников с разными примесями, очевидны. В ней холодные концы имеют противоположные заряды: один отрицательный, другой положительный. Как у электрической батареи или у динамо-машины. В термопаре, сделанной не из полупроводников, а из металлов, в обоих холодных концах скапливаются электроны, то есть оба они несут отрицательный заряд и лишь разница в величине этого заряда позволяет получать ток. Разумеется, эффективность такой термопары значительно меньше, чем полупроводниковой.

Применение полупроводников в термоэлементах позволило во много раз повысить их коэффициент полезного действия.

Создано немало конструкций термоэлектрогенераторов — на полупроводниках, но наиболее интересен генератор, построенный недавно в Советском Союзе и получивший название «Ромашка».

«Ромашка» — первая в мире установка, преобразующая ядерную энергию в термоэлектричество. Совместная работа всех ее термоэлементов создает ток величиной в 88 ампер. Правда, мощность установки невелика — всего пятьсот ватт. Но на первых порах главным было не достижение большой мощности, а отработка конструкций, получение данных для дальнейших исследований. Первое испытание атомный термоэлектрогенератор успешно выдержал: он проработал тысячи часов без единой поломки или неисправности.

Предварительная оценка коэффициента полезного действия (к.п.д.) «Ромашки» показала, что он равен нескольким процентам. Еще до создания «Ромашки» специалисты, оценивая будущее термоэлементов как источника электроэнергии, пришли к выводу, что достижение к.п.д. порядка восьми процентов привело бы к революции в малой энергетике, использующей генераторы мощностью до ста киловатт.

Особое внимание ученых привлекают вакуумные, или, как их теперь называют, термоэмиссионные элементы. Представьте себе камеру, из которой выкачан воздух. Внутри ее параллельно друг другу размещены пластины из металла. Одни из них сильно раскалены, другие, отделенные безвоздушным пространством, холодные. Из нагретых пластин в большом количестве вылетают электроны и, совершив перелет в безвоздушном пространстве, оказываются на холодных пластинах. Если горячие и холодные пластины замкнуть внешней цепью, появится ток.

Преимущества вакуумного термоэлемента очевидны: в нем электроны движутся в пустоте и не теряют по пути энергии. Правда, и здесь тепло с горячих пластин переносится на холодные за счет тепловых лучей. Но лучеиспускание горячих пластин можно существенно снизить, тем самым еще больше увеличив к.п.д.

Конструкций вакуумных термоэлементов создано немало, они имеют к.п.д., приближающийся к десяти процентам. Расчеты предсказывают, что его можно увеличить в несколько раз, при этом каждый квадратный сантиметр раскаленных пластин будет отдавать целый киловатт электрической мощности!