Что такое полупроводник - [10]
>Термоэлектрогенератор на керосиновой лампе.
Под потолком на цепочках висит странного вида керосиновая лампа. В верхней части ее — темная трубка. Она окружена большими металлическими пластинами — словно старинный воротник «жабо» надет на лампу. Из-под «воротника» тянется пара проводов к стоящему рядом приемнику «Родина».
Возвращается к вечеру домой охотник или лесник, зажигает лампу. В комнате светло. Проходит несколько минут, и приемник словно пробуждается. Освещается шкала настройки, набирает громкость голос далекого города.
Почему ожил приемник?
НОВОЕ СВОЙСТВО
Раньше мы подробно говорили о двух видах полупроводников — электронном и дырочном. В первом при нагревании освобождаются электроны, во втором — появляются дырки.
Сделаем из каждого такого полупроводника по брусочку, поставим их рядом и припаяем сверху к их торцам металлическую пластину. Получилось нечто вроде буквы «П» — так называемая термопара, или термоэлемент. Теперь прижмем спаянные концы брусочков (верхнюю перекладину буквы) к чему-нибудь горячему, а свободные концы, наоборот, охладим.
>Простейшая полупроводниковая термопара.
>Справа — столбик электронного полупроводника, а слева — дырочного. В концах столбиков скапливаются освобожденные теплом электрические заряды. Так тепло преобразуется в электрическую энергию.
В нагретом конце электронного брусочка появятся {46} освобожденные нагреванием электроны. Они забегают, начнут сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец брусочка — туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но мы помним, что электроны — отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце брусочка появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд.
В горячем конце дырочного бруска возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Но, как вы помните, дырка ведет себя подобно частице, наделенной положительным электрическим зарядом. Значит, холодный конец дырочного брусочка термопары приобретает положительный заряд.
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.
