Техника - молодёжи 1959-03, страница 11

Чем меньше электроном участвует а обратном потоке, тем больше должно быть напряжение на холодном кон-да, чтобы уравновесить поток приходящих туда свободных электронов. А в полупроводниках свободных электронов гораздо меньше; поэтому разность температур создает я них гораздо большие напряжения, чем * металлах.

Точный расчет возникающих напряжений требует применения квантовой теории; а одно Из основных свойств этой теории — отсутствие наглядных представлений. Чтобы сделать ее легко понятной, ее надо исказить. Поэтому не будем и пытаться разъяснить, как можно предсказать теоретически величину термоэлектрических напряжений. Скажем только_г что в разных полупроводниках напряжения, а иногда и направления термоэлектрических напряжений различны, но что они всегда возрастают с ростом разности температур.

Напряжение пропорционально разности температур горячего конца и холодного конца. Коэффициент пропорциональности, то есть то напряжение, которое возникает в данном полупроводнике, когда один его конец теплее другого на ГС, называют термоэлектрод шижу щей силой и измеряют в вольтах на 1°С. В металлах эта величина составляет несколько миллионных долей вольт». В полупроводниках она в сотни раз больше, но все же Очень мала.

Если разность температур между концами полупроводника достигает нескольких сот градусов_г то термоэлектрическое напряжение составляет уже десятые доли вольта. Существуют такие полупроводники (впрочем, это относится и к металлам), в которых, как мы указывали, горячий конец заряжается положительно по отношению к холодному, но есть и такие, где холодный конец заряжается положительно. Направлением тока мы называем условно направление от положительного конца к отрицательному.

Составим электрическую цепь из двух противоположных полупроводников, соединим (см. рис. в заголовке) их горячие концы, а между холодными поместим проводник, через который хотим пропустить ток.

Если на верхних концах поддерживается все время высокая температура, тогда в одном полупроводнике возникает напряжение, вызывающее ток сверху вниз, а во втором —снизу ■верх. Как видим, токи в обоих полупроводниках идут в том же неправле-нии, против часовой стрелки, во всей цепи, в том числе и в приемнике, использующем ток, созданный термоэлементом. Общее напряжение во всей цепи оказывается равным сумме напряжений двух термоэлементов.

Однако так получаются только десятые доли вольта. В технике же и быту применяют десятки и сотни вольт (например, в квартирах 100—200 в). Чтобы осуществить такие напряжения, Приходится соединять десятки и сотни отдельных термоэлементов, что, впрсчвм, не создает существенных трудностей.

Не все это тепло переходит в электроэнергию. Часть его непосредственно «перетекает)» от горячих концов к холодным. И згу неиспользованную часть теплб приходится отводить от

Анвдемик Абрам Федорович ИОФФЕ — один из крупнейших физиков современности. Родился в 1880 году. Окончив в 1902 году Петербургский технологический институт, А. Ф. Иоффе всю свою научную деятельность посвятил физике твердого тела. С его именем связан ряд крупных открытий и работ е области теории света, физических и электрических свойств кристаллов и особенно полупроводников. В течение многих лет руководил Физико-техническим институтом, а е настоящее время А. Ф. Иоффе директор Института полупроводников Академии наун СССР. За выдающиеся достижения в области физики в 1942 году ему была присуждена Сталинская премия, а а 1955 году, в связи с 75-летием, присвоено звание Героя Социалистического Труда.

холодных концов элементов, чтобы поддерживать в них низкую температуру.

От всякой тепловой машины, в том числе и от термоэлементов, мы требуем, чтобы она производила как можно больше энергии, затрачивая, тепла как можно меньше. Чем больше отношение полезной электрической энергии к затраченному теплу, тем лучше термоэлемент. Это отношение называется коэффициентом полезного действия.

Главный недостаток термоэлементов по сравнению с другими тепловыми машинами в том, что подводимая К горячему концу теплота в большей своей части переносится к холодному концу. Такой поток тепла сквозь вещество называют теплопроводностью.

Термоэлемент тем лучше, чем большее напряжение он создает, чем сильнее при этом ток и чем меньше тепла уносит теплопроводность.

С другой стороны, чем выше температура, при которой работает термоэлемент, тем лучшие результаты он Дает.

Если температура холодного конца немногим выше комнатной темпера*» туры, например Т₂=*300°К (то есть 27°С), а температура горячего конца— Т,«=600°К (то есть 327°С), то наши термоэлементы смогут создать кпд около

11%, тогда как керосиновые двигатели с кпд свыше 40°/е. Сравнение явно не в пользу термоэлементов. Время упущено! За сто лет паровые машины повысили свой кпд в десять раз, а термоэлементы, которые в течение ста лет не разрабатывались, 8 если изготовлялись, то из металлов, имеют кпд не больше 0,3%. От 3%, которые в 1820 году одинаково выражали кпд и паровых машин Л термоэлементов, первые ушли вперед в 10 раз, а вторые попятились назад в 10 раз.

Полупроводники улучшили положение: термоэлементы стали хуже паровых машин уже не в 100, а только в 3 раза. Но ведь этого недостаточно. А нельзя ли улучшить положение и дальше? Или это безнадежно?

Раньше чем согласиться с этим, посмотрим еще с Другой стороны*, кпд — важная характеристика машины, но ведь это еще не все.

Получение злектроэнергии с помощью паровой машины требует постройки топки, парового котла, паровой машины и динамо-машины — сложного и дорогого оборудования. Тер* моэлектрическая батарея ограничивается топкой и охладителем, в ней нет никаких двигающихся механизмов. Во многих случаях зто преимущество может перевесить снижение кпд, тем более, что 30% дают только паровые турбины большой мощности, а кпд малых паровых машин лишь немногим больше 10%.

Для задач малой энергетики, для получения всего нескольких киловатт электроэнергии термоэлементы могут смело конкурировать с паровыми машинами. А там, где дело идет о совсем небольших источниках электрической энергии, как, например, для за* дач связи радио, телеграфа и телефона, термоэлементы дают наилучшее техническое решение.

С другой стороны, кпд термоэлементов (10—11%) вовсе не предел. Он значительно вырастет, если удастся перейти к более высоким температурам. Так, например, при повышении температуры горячего конца до 600°С кпд достиг бы 18%»

жмюсгм

из зеркал

Рассмотрим заманчивую задачу получения электроэнергии непосредственно от солнечных лучей.

Каждый квадратный метр поверхности, выставленной на солнце, получает от наго около 1 кет мощности, а весь поток солнечных лучей, попадающих на землю, приносит 100 тыс. млрд.

7