Глеб Анфилов - Что такое полупроводник
Итак, электроохлаждение помогает решать множество задач науки.
Но физики стремятся еще более эффективно поставить электроохлаждение и нагревание на службу практике. Высказана идея: создать на этой основе оригинальную отопительно-охладительную систему для зданий.
{59}
ИСКУССТВЕННЫЙ КЛИМАТ
Заглянем в обычный жилой дом будущего. Нам бросятся в глаза узорные металлические решетки под окнами. Это не украшения. Войдем внутрь. В комнатах под подоконниками — такие же решетки. Что же это? Да не что иное, как радиатор полупроводниковых термопар. Через них проходит электрический ток, и пластины в комнате нагреваются. Но вот в помещении стало жарко. Хозяйка квартиры поворачивает выключатель. Теперь ток течет в обратном направлении, и комнатные пластины радиатора начали охлаждаться, вбирая в себя излишнее тепло. Жара быстро спадает. Впрочем, хозяйкам таких квартир, вероятно, не придется заботиться о температуре в комнатах. Заботу эту наши инженеры передадут автоматическим аппаратам на. термопарах и термисторах. В целом доме температура будет поддерживаться всегда на нужном уровне, как в камере кварцевого стабилизатора.
Преимущества такой системы отопления очень велики. Мало того, что она проста и гигиенична (ведь не будет никаких топок, котлов, угля, шлака), она сможет действовать круглый год: зимой отапливать помещение, а летом создавать в комнатах приятную прохладу. Система эта к тому же исключительно экономична. Например, нагрев воздуха на 20 градусов потребует энергии в четыре—пять раз меньше, чем ее расходуется в лучших современных отопительных системах.
Как это можно объяснить?
Оказывается, помещение станет обогреваться не только за счет электрического тока. В какой-то мере тепло будет черпаться снаружи, с улицы, — за счет охлаждения и без того холодного наружного воздуха.
Уличный воздух здесь тоже будет «работать» на отопление — отнимать тепло от наружных радиаторов.
Вдумайтесь в это!
Исстари считалось, что греть может лишь что-то горячее: огонь, солнце. А оказывается, в полупроводниковой термобатарее мороз и электрический ток способны рождать тепло.
{60}
Так может выглядеть отопительно-охладительная система на полупроводниках в жилых домах будущего.
Овладев полупроводниками, мы сумеем извлекать пользу даже из зимней стужи!
Устройства, о которых вы читали в этой главе, по своему назначению не новы.
Давным-давно существуют системы машин, преобразующих тепло в электрический ток, есть у нас и холодильники, и установки искусственного климата.
Но все эти знакомые нам технические устройства отличаются общей
особенностью — в них обязательно работают какие-то механизмы: вращаются валы {61} двигателей, ходят поршни насосов, бегут трансмиссии. А любое механическое движение обязательно сопровождается потерей энергии на трение, износом деталей. За механизмами приходится заботливо ухаживать, то и дело ремонтировать их, заменять испортившиеся части. Неудивительно, что современная техника стремится освободиться от механического движения всюду, где это возможно.
В самых разнообразных областях производства сейчас внедряются процессы, которые президент Академии наук СССР А. Н. Несмеянов метко назвал «безмеханизменными». И наиболее яркими примерами этой новой прогрессивной техники могут служить такие полупроводниковые устройства, как термоэлектрогенераторы, электронные холодильники, их всевозможные сочетания. Это бесспорно предвестники завтрашнего дня нашей индустрии.
{62}
МАШИНЫ, КОТОРЫЕ ВИДЯТ
{63}
ГЛАЗА АВТОМОБИЛЮ
Испокон веков работала на человека лошадь. А потом человек построил взамен нее машины: автомобиль, трактор... Они сильнее лошади в десятки раз: и везут быстрее и груза берут несравненно больше. Но у лошади есть великое достоинство — зрение.
Где-нибудь в старой Москве садился ямщик на облучок, дергал вожжу и поглядывал себе по сторонам. Лошадь сама дорогу видела. Вот и задумался человек: надо, чтобы у машины тоже были глаза.
В одном из научно-фантастических рассказов описан «зрячий» автомобиль. Он сам останавливается перед красным огоньком светофора, при зеленом свете трогается в путь, объезжает препятствия и даже тормозит перед зазевавшимся прохожим. Вот это машина! Шофер на ней чувствовал бы себя не хуже, чем ямщик с отлично выдрессированной лошадью. А может, шофер и не понадобился бы вовсе. В том же рассказе «зрячий» автомобиль самостоятельно совершает долгое путешествие.
В этой фантастике нет ничего несбыточного. Давно известны фотоэлементы — «электронные глаза» машин. {65} С применением полупроводников они становятся удивительно простыми и дешевыми.
Идея электрического зрения зародилась еще в прошлом веке. И прежде всего техника получила от физики так называемые вакуумные фотоэлементы. Начало их созданию положил своими исследованиями видный русский ученый А. Г. Столетов.
ОБСТРЕЛ СВЕТОМ
Много труда потратили ученые, чтобы постичь загадки самого, казалось бы, ясного явления в природе — света. Лишь полстолетия назад секреты его удалось раскрыть.
Природа света оказалась двоякой.
Не вдаваясь подробно в сложнейшую физическую сущность, укажем только, что, с одной стороны, свет — волновое движение электромагнитного поля (те же радиоволны, только очень короткие). С другой стороны, свет — поток частиц фотонов. Получается, что, освещая предмет, мы словно обстреливаем его своеобразными сгустками электромагнитных вибраций.
Что происходит, если такая «пуля света» ударяется о поверхность металла или полупроводника? Она может отдать свою энергию электронам вещества. Некоторые из них при этом получают настолько сильные толчки, что вырываются прочь из вещества — улетают в окружающее пространство.
Представьте себе несложный прибор. В стеклянный, освобожденный от воздуха баллончик впаяны две металлические пластинки. Две проволочки соединяют их с электрической батарейкой.
Пошлем световой луч на катод — пластинку, соединенную с отрицательным полюсом. Из нее начнут вылетать электроны. Но как только они покинут металл, их немедленно подхватит электрическое поле и понесет к {67} положительно заряженной пластинке — аноду. Пока катод освещен, через прибор летят электроны. Электрический ток рожден лучом.
Описанный нами прибор — не что иное, как простейший вакуумный фотоэлемент.
«СТЕКЛЯННЫЙ ГЛАЗ»
Есть у вакуумного фотоэлемента важная особенность — он действует исключительно быстро. Этот «стеклянный глаз» на освещение мгновенно отзывается толчком электрического тока. Вот почему прибор служит всюду, где требуется частые световые вспышки превратить в электрические колебания.
Например, в киноаппарате звукового кино неуловимо быстро пробегают полоски «звуковой дорожки». Фотоэлемент преобразует их мелькание в пульсации тока, и в громкоговорителях звучит музыка.
На экране телевизора танцует балерина. Глядя на нее, вы тоже пользуетесь услугами «стеклянного глаза». В студии перед артисткой установлена передающая телевизионная трубка — своеобразный вакуумный фотоэлемент. Каждую секунду в нем возникают миллионы электрических импульсов, в которых и запечатляется изображение.
Итак, вакуумный фотоэлемент очень расторопен. Но зато он подслеповат. Его чувствительность к свету не удовлетворяет технику. К «стеклянному глазу» волей-неволей приходится добавлять ламповые усилители, а это удорожает и ограничивает его практическое применение.
Изобретатели приложили много остроумия и выдумки, желая увеличить чувствительность прибора. Катод фотоэлемента покрывали специальными веществами, в баллон вводили газ, придумали даже хитроумные умножители электронов. {67}
И все-таки «стеклянный глаз» не приобрел достаточной чувствительности к свету. Да и не только в этом видели инженеры недостатки прибора. Как и всякое стекло, он был хрупок, не очень долговечен, неэкономичен. Плохо чувствовал себя нежный стеклянный прибор в машине, около грохочущих валов и шестерен. Трудно было приспособить его к работе в заводском цеху.
Много бились над усовершенствованием «стеклянного глаза», но решающих успехов достичь так и не удалось.
Между тем еще восемьдесят лет назад было открыто явление, подсказывающее выход из создавшегося положения.
ЗАБЫТОЕ ОТКРЫТИЕ
Для одной из своих работ английский физик Уиллоу-бай Смит подыскивал материалы с большим электрическим сопротивлением. Ученый перепробовал множество веществ и в конце концов решил остановиться на палочке из полупроводника — селена.
