Наследники лаборанта Синявина

Послесловие

Книжка, которую вы, ребята, прочли, рассказала о событиях, случившихся лет тридцать назад. За это время пытливые и любознательные герои книги кончили учебу, стали взрослыми и уже по-настоящему, всерьез занимаются каждый своим любимым делом. Одни из них работают в научно-исследовательских институтах, другие, возможно, преподают в школах, третьи трудятся на заводах, но все они, я уверен, сохранили любовь к науке, к новому, сами стали творцами этого нового.

Совершенствовалась и достигла больших успехов и наука о термоэлектричестве — интересном физическом явлении, которое так сильно увлекло героев этой книги. Об успехах этого раздела физики я и хочу вам рассказать.

Начать придется издалека.

Давно ли термоэлектричество стало приносить пользу людям? Ведь иной читатель, зная, что на улицах и дорогах нет пока термоавтомобилей, может подумать, что термоэлектричество еще не получило путевку в жизнь, не стало помощником человека. Такое мнение, конечно, ошибочно.

Возникновение тока при нагревании спая двух разнородных металлов — термоэлектричество — было открыто в 1821 году немецким ученым Зеебеком. Об электричестве тогда знали очень мало. И сам Зеебек, видя, как отклоняется расположенная поблизости от термопары магнитная стрелка, считал, что теплота переходит не в электрическую энергию, а непосредственно в магнитную. Позднее французский ученый Пельтье доказал, что в термопаре возникает постоянный ток, магнитное поле которого и воздействует на магнитную стрелку.

Ахиллесова пята термоэлектрогенераторов — низкий коэффициент полезного действия. Поэтому интерес к ним ослабел, как только появились электродинамические генераторы гона. В них ток возникал при вращении системы проводников в магнитном поле, то есть использовалось явление электромагнитной индукции. Преимущества электродинамических генераторов видны из расчета, произведенного в 1922 году. Расчет показал, что выработка электричества при помощи газовых термоэлектрогенераторов в 37 раз дороже обычного способа его получения.

Несмотря на это, термоэлектричеством продолжали заниматься. Этого требовали новые отрасли науки и техники.

Если полистать журналы, вышедшие лет тридцать пять назад, то можно найти любопытные сообщения. Так, в 1928 году было помещено описание термоэлектрического генератора, который использовался как источник питания для радиоприемников в неэлектрифицированных местностях. В генераторе применялись железо-никелевые термопары, разогреваемые теплом керосиновой лампы. Позднее были созданы термоэлектрогенераторы, работающие на высококачественном бензине. Такие генераторы применялись во время второй мировой войны в качестве бесшумных и компактных источников питания переносной радиоаппаратуры, одновременно они использовались для приготовления пищи и обогревали помещения. Советские ученые под руководством академика А.Ф. Иоффе создали термогенераторы, которые принесли немалую пользу партизанам.

И это не единственное применение термоэлектричества в радиотехнике. Термопары давно уже используются для измерения высокочастотных токов. Термоамперметр, который служит для этой цели, очень прост. Измеряемый ток пропускается по короткому прямому проводнику. Проводник нагревается тем сильнее, чем больше величина тока. Рядом расположен спай термопары, который нагревается вместе с проводником. По величине тока в цепи термопары и судят о силе высокочастотного тока, проходящего по проводнику-подогревателю.

Замечательные свойства термоэлементов позволили приспособить их для измерения температур от самых низких до многих тысяч градусов. Для этого спай разнородных металлов помещают туда, где нужно измерить температуру, а к холодным концам термопары присоединяют измерительный прибор. Чем выше измеряемая температура, тем больший ток течет через прибор, шкала которого градуируется непосредственно в градусах.

Созданы термоэлектрические приборы, которые успешно измеряют температуру… звезд. Поймав этими приборами свет звезды, и измерив возникший в термопаре ток, ученые производят сложные математические вычисления и определяют температуру звезды. Впервые этим способом удалось измерить температуру шестнадцати звезд в 1922 году. По такому же принципу работают приборы для определения энергии солнечных лучей. Знать, какую энергию приносят солнечные лучи в той или иной местности в разные времена года, очень важно. Термоэлектрические приборы — актинометры — позволяют ученым определять лучистую энергию Солнца в любом месте земного шара.

Можно было бы продолжить рассказ о применениях термоэлектричества, но и сказанного достаточно, для того чтобы оценить его роль в современной науке и технике. Но пытливая мысль ученых не может стоять на месте, она неутомимо работает над совершенствованием созданного, над раскрытием еще не разгаданных тайн того или иного физического явления.

Новый этап в изучении и освоении термоэлектричества начался после того, как стали применять в качестве материала для термоэлементов полупроводники. На первый взгляд такой выбор может показаться странным. Ведь для возникновения термоэлектрического тока нужны свободные заряды, которых много в металлах. При нагревании спая двух разнородных металлов свободные электроны в нагретом конце проводника начинают двигаться интенсивнее, быстрее. Поэтому они часто попадают в менее нагретую часть проводника. Сталкиваясь со своими менее нагретыми собратьями, они отдают им часть своей энергии — значит, начинают двигаться более медленно. Уменьшение подвижности не дает возможности этим электронам вернуться обратно в нагретый конец проводника. «Застрявшие» в холодной части электроны создают в ней отрицательный заряд, ведь их там оказалось избыточное количество. Нагретая часть проводника, откуда ушли электроны, приобрела противоположный, то есть положительный заряд.

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!

Прямое преобразование тепла в электричество с помощью полупроводниковых и вакуумных термоэлементов — это завтрашний день нашей энергетики. Но термоэлементы найдут свое применение не только в производстве электричества. Они станут и его потребителями.

Еще на заре развития учения о термоэлектричестве Пельтье обнаружил, что если пропускать ток через термоэлемент в обратном направлении, то он начнет охлаждаться. Спустя столетие ученые решили использовать это явление для получения холода. Особенно подходящими в холодильниках оказались полупроводники. Применение их позволило советским ученым во главе с А.Ф. Иоффе создать холодильник, в котором температура снижалась более чем на пятьдесят градусов. Недалеко то время, когда на прилавках магазинов появятся портативные, экономичные термоэлектрохолодильники.

Термоэлементы из полупроводников будут устанавливать в квартирах вместо батарей отопления. Зимой они будут обогревать помещения, а летом — охлаждать его. Для этого достаточно лишь изменить на обратное направление тока. Эффективность обогрева при помощи термобатарей будет, как показали расчеты, значительно больше, чем в случае применения электронагревательных спиралей из металлов.

Так ученые представляют будущее термоэлектротехники.

У читателей книги может возникнуть вопрос: возможно ли при помощи термоэлектричества заставить двигаться автомобиль и почему на улицах мы пока не встречаем термоавтомобилей?

Электричество — универсальная энергия, и оно давно уже применяется на транспорте. Трамваи, троллейбусы, поезда сейчас приводятся в движение электродвигателями, потребляющими энергию из электрической сети. Очень заманчиво смонтировать электрогенератор на самой движущейся установке, тогда не нужно будет возводить опоры, и подвешивать над дорогой провода. Принципиально такой генератор тока может быть термоэлектрическим. Тепло сгорающего топлива в нем непосредственно превратится в электрический ток, энергия которого, как это удалось сделать героям этой книжки, заставит двигаться автомобиль.

Но если бы инженеры и конструкторы создали такую установку, она получилась бы менее выгодной, менее экономичной, чем современный автомобиль с бензиновым двигателем. К.п.д. термоэлектрогенератора не достигает пока и десяти процентов, тогда как бензиновый двигатель в несколько раз более экономичен. Вот почему мы пока не встречаем на улицах термоавтомобилей.

Но техника в наши дни развивается стремительными темпами. И, вполне вероятно, придет время, когда новые открытия в области полупроводников позволят создать настоящий термоавтомобиль. Тогда, может быть, появится новая повесть, в которой слова «небольшой художественный вымысел» будут отсутствовать. Это время само собой не придет. Лишь упорный труд ученых и изобретателей, среди которых могут оказаться и читатели этой книги, способен приблизить его. А чтобы быть в числе создателей термоавтомобилей и других интересных и полезных машин, нужно много знать, много учиться.