Глеб Анфилов - Что такое полупроводник
Эти заряды тем больше, чем значительнее разность температур горячего и холодного концов обоих брусочков. {47}
Итак, на холодных концах термопары появились разноименные электрические заряды. Стоит соединить их проволочкой, и по ней потечет электрический ток. Тепло превращено в электроэнергию. Это и происходит в нашей лампе.
СЕКРЕТ «ВОРОТНИКА»
Заглянем под «воротник» лампы. Там тесно прижались друг к другу серые, тускло блестящие столбики величиной с ириску «Золотой ключик». Это термоэлементы. В них и рождается электрический ток.
Какие полупроводники можно применить для термопар? Нетрудно понять, что они должны удовлетворять следующим требованиям: во-первых, создавать нужное количество электронов или дырок при нагревании; во-вторых, неплохо проводить электрический ток (тогда электроны или дырки легче перекочуют от нагретых концов к холодным); в-третьих, плохо передавать тепло (чтобы резче была разница температур на противоположных концах термопар).
Нелегко найти вещества, наделенные одновременно всеми этими свойствами. Как правило, материал, хорошо проводящий электрический ток, отлично проводит и тепло. Только глубокий теоретический анализ явления и многочисленные опыты помогли ученым создать нужные материалы — особые сплавы со специальными примесями; сплавы эти неплохо проводят ток, а примеси как бы укрепляют, «дисциплинируют» внутренний строй атомов, удерживают их от чрезмерно сильного теплового движения. В результате теплопроводность материала уменьшается. Из таких сплавов и сделаны термоэлементы нашего «воротника».
Соединенные друг с другом последовательно и параллельно, термопары образовали трубку. Когда лампа зажжена, внутренние их спаи нагреваются «отсветившими», но еще горячими газами, которые поднимаются от фитиля.
{48}
«Прадедушка» современных термоэлектрогенераторов — «партизанский котелок».
А наружные спаи охлаждаются комнатным воздухом через пластины радиатора (их-то мы и сравнивали со складками «жабо»). Разница температур достигает 250—300 градусов. Этого вполне хватает, чтобы получить энергию для питания многолампового радиоприемника.
Удивительный светильник, с которым мы познакомились, носит название ТГК — термоэлектрогенератор керосиновый. Сейчас такой аппарат уже не редкость. Первые образцы его появились в 1950 году, а теперь он значительно усовершенствован и продается во многих сельских магазинах.
У этой установки любопытная история. Еще не имея полупроводников, физики пробовали строить термоэлектрогенераторы с термопарами из металлов. Однако экономичность таких устройств была ничтожной. В годы Великой Отечественной войны у нас был создан «партизанский котелок» — прадедушка современных термоэлектрогенераторов. {49} То был металлический сосуд в форме крестьянского чугуна, в дне которого находился блок полупроводниковых термоэлементов. В «партизанский котелок» наливали холодную воду и вешали его над горящим костром. Энергии, которую он вырабатывал, было достаточно для маленькой армейской радиостанции «Север».
В 1946 году появились термоэлектрогенераторы в виде самовара. Они обладали уже довольно высоким коэффициентом полезного действия — около 4 процентов (такую долю тепла они превращали в электроэнергию). Еще пять лет спустя советские физики создали печь-термоэлектрогенератор на дровах. Она вырабатывала 100—200 ватт электроэнергии.
Термоэлектрогенератор на керогазе. Прибор питает энергией колхозную радиостанцию «Урожай».
{50}
Сейчас промышленность начинает выпускать термоэлектрогенератор типа ТГУ-1 мощностью 16 ватт. Он действует от керогаза и питает энергией колхозную радиостанцию «Урожай». На полевых станах смеются: наши связисты стали сродни поварам. Шутки шутками, а энергия, «приготовленная на керогазе», дешевле, чем полученная от батарей. Любой МТС гораздо выгоднее приобрести керосиновый термоэлектрогенератор, чем покупать для своей радиостанции батареи. Над термоэлектрогенераторами трудятся и зарубежные физики. В США, например, созданы установки, где в электроэнергию преобразуется тепло горючего газа.
МЕЧТА СБЫВАЕТСЯ
Какое странное сочетание: керосиновый светильник и полупроводники. Воедино слились прошлое и будущее. То, что человек изобрел века назад, что уже уходит в историю, нашло поддержку в замечательном открытии, призванном обогатить технику завтрашнего дня. Ведь наш нехитрый термоэлектрогенератор — это исполнение давней мечты физиков и инженеров: в нем происходит непосредственное преобразование тепла в электрический ток.
Давайте вспомним, как рождается энергия на современных тепловых электростанциях.
Уголь, сгорающий в топке, нагревает в котле воду, которая превращается в пар. Пар вращает турбину, а та, в свою очередь, движет вал генератора, вырабатывающего электроэнергию. Сколько этапов! Сколько преобразований энергии из одного вида в другой! Сколько дорогих механизмов, движущихся частей, которые и смазки требуют и изнашиваются!
А что происходит на современной атомной электростанции? Ядерная энергия выделяется в реакторе главным образом в форме тепла. Это тепло тем или иным способом выводится из реактора и тратится на производство того же пара. Дальше, как на обычной тепловой станции, {51} следуют турбины и генератор. Словом, от тепла до электричества опять длинный окольный путь. Снова сложные механизмы, неизбежные потери энергии.
Иное дело — термоэлемент. В нем тепло превращается в электроэнергию сразу, без промежуточных звеньев.
Уже в наши дни термоэлементы из полупроводников обладают коэффициентом полезного действия 6—8, а в лабораторных условиях — до 10 процентов. Это немало. С таким коэффициентом полезного действия работают небольшие паросиловые установки. Вероятно, уже очень скоро будет выгодно перевести небольшие тепловые машины (мощностью до 100 киловатт) на питание от термоэлектрогенераторов.
Сейчас ученые стремятся удвоить коэффициент полезного действия термобатарей. Тогда он будет таким же, как и у средних тепловых электростанций. А дальше возможно новое повышение экономичности термоэлементов. И если сегодня полупроводники еще не могут заменить обычное оборудование электростанции, то, совершенствуясь по мере развития науки, они, несомненно, изменят лицо энергетики. Придет время, когда электрический ток станет рождаться прямо в топке тепловой электростанции или в реакторе атомной электростанции.
Но вот что важно: не только в промышленной электроэнергетике полупроводниковые термоэлементы способны принести - пользу нашему народному хозяйству. Они открывают и совершенно новые пути получения энергии — пути, о которых раньше и не мечтали инженеры.
БЕРЕГИТЕ ТЕПЛО
В зимние морозные дни на входах в дома хозяйственные управдомы расклеивают плакаты: «Берегите тепло. Закрывайте двери».
Берегите тепло! Этот призыв справедлив не только {52} зимой и не только по отношению к отоплению наших зданий.
Знаете ли вы, какая часть тепла, полученного от сжигания топлива — угля, торфа, газа, дров, — сейчас идет на пользу человеку? Не более одной пятой. Все остальное пропадает бесполезно рассеивается в атмосфере.
Почему теряется такое огромное количество тепла?
Дело здесь вот в чем.
От нас ускользает та тепловая энергия, которая заключена в массах вещества с невысокой температурой. Это тепло — в сточных водах промышленных предприятий, в дыме фабричных труб, в отходящих газах металлургических печей. На первый взгляд его и в самом деле невозможно использовать. Попытайтесь-ка вскипятить чайник водой, нагретой, скажем, до 15 градусов. Вы скажете: не удастся. Ну, а хорошо обогреть помещение такой водой можно? Вы, вероятно, ответите, что этого также нельзя сделать, как бы много ее ни было. Так люди считали долгое время и без сожаления расставались с тепловыми отходами. Но потом додумались повышать температуру воды, увеличивая на нее давление.
Подогретую этим способом воду пускают в отопительные батареи, и она отдает на обогрев помещения энергии больше, чем ушло на сдавливание воды. Однако такой метод далеко не везде применим, сложен, не дает возможности сильно нагреть воду.
Несравненно более широкие возможности открывают здесь полупроводниковые термоэлементы. Всюду, где есть тепло, они способны легко превратить значительную его делю в самый удобный вид энергии — электрическую. Ведь электроэнергию можно использовать тысячью способами— либо сразу превратить ее в свет и движение машин, либо передать по проводам на далекие расстояния, либо, наконец, собрать про запас в электрических «копилках» — аккумуляторах.
