Глеб Анфилов - Что такое полупроводник
Чтобы прибор работал быстрее, четче отзывался на перемены температуры, шарик сделан очень маленьким. Благодаря этому он скорее нагревается и остывает. «Игла» фиксирует неуловимые прежде колебания температуры, происходящие за десятые, даже за сотые доли секунды.
Есть электротермометры, обладающие настолько незначительными размерами чувствительных элементов, что их можно ввести непосредственно в пищевод или желудок. Микроскопический шарик безошибочно измеряет температуру крови прямо в кровеносном сосуде.
{33}
Один из микроэлектротермометров. Прибор настолько миниатюрен, что может измерить температуру снежинки. Внизу — схема микроэлектротермометра «игла».
В Москве в Научно-исследовательском институте хирургических аппаратов и инструментов создана целая серия разнообразных медицинских электротермометров. Врачи уже начали применять их на практике. Созданы микроэлектротермометры, которые одинаково хорошо измеряют температуры от 70 градусов мороза до 250 градусов тепла. Такой широкий диапазон в сочетании с быстротой действия открывает новому прибору широкую дорогу в самые разнообразные области техники.
К ТЫСЯЧЕГРАДУСНОЙ ЖАРЕ
Как ни хороши термосопротивления, но есть у них один недостаток: слишком сильного нагревания они не выносят. Существуют приборы, которые выдерживают {34} +250, +300 градусов Цельсия. Но это пока предел. Нагрейте полупроводник сильнее, и вы его безнадежно испортите.
Между тем потребность в простых и безотказных измерителях температуры в 900, 1000 градусов и выше очень велика. Металлурги, машиностроители давно уже жалуются: трудно существующими методами достигнуть необходимой точности измерений температуры при плавке металла, закалке изделий.
Неужели физика полупроводников здесь пасует?
Нет, решение проблемы возможно.
Мы раньше упоминали об изоляторах, которые при сильном нагреве становятся полупроводниками. Теперь им можно найти применение. Сделаем из такого вещества стержень и внесем его в печь. По изменению электропроводности стержня можно судить о его температуре. Такие тугоплавкие стержни созданы в Ленинграде, в Электротехническом институте имени Ульянова (Ленина).
Правда, иметь стержень — это еще не всё. Надо ведь включить его в электрическую цепь. Как это можно сделать? Просто присоединить стержень к металлическим проводам в печи нельзя. При высокой температуре немедленно начнутся химические реакции, на месте соединения образуется слой окиси, и контакт получится плохой.
Вывести концы стержня через стенку печи наружу тоже невозможно. Выведенные концы ведь будут холодными, они потеряют свои полупроводниковые свойства, опять станут изоляторами и откажутся проводить электрический ток.
Чтобы найти выход, приходится искать обходные пути, усложнять установку.
Впрочем, есть еще один замечательный способ определения температуры. Применяя его, не нужно помещать термометр непосредственно на раскаленное тело или вблизи него. Он позволяет проводить измерения температуры на расстоянии, притом иногда очень большом.
{35}
ТЕМПЕРАТУРА ИЗДАЛЕКА
Солнце находится от нас в 150 миллионах километров. Никто к нему не подлетал, никто не касался его термометром. И тем не менее температура поверхности светила отлично известна науке. Эти сведения принес сам солнечный свет.
Достигнув Земли, луч солнца попал в физическую лабораторию. Здесь на его пути поставили стеклянную призму, он тотчас растянулся в радужную полоску и словно сказал: вот я каков, все мои секреты на виду; теперь догадывайтесь, что за жара у меня на родине.
Ученые до этого провели опыты с обыкновенными земными лучами — теми, что испускает любой раскаленный предмет. Проходя сквозь призму, они тоже растягивались в полоску-спектр. И лучи, которые тело испускало при различных температурах, давали различные спектры. Накаляли тело до 1000 градусов — больше всего лучистой энергии получалось в красной части спектра; нагревали до 2000 градусов — в красной части энергии становилось поменьше, зато прибавлялось в желтой; доводили температуру до 3000 градусов — появлялся избыток энергии в голубой части спектра, и так далее. Много таких опытов провели физики и в конце концов открыли закон распределения энергии в спектре в зависимости от температуры.
Закон известен, и над солнечным спектром долго ломать голову не пришлось. Оказалось, на его родине — на поверхности Солнца — температура +6000 градусов Цельсия.
Вы спросите: а причем здесь герои книжки — полупроводники?
Вопрос резонный.
Оказывается, удобнее и точнее всего оценивать энергию разных частей спектра специальным полупроводниковым термистором.
{36}
ЧУДЕСНЫЙ БОЛОМЕТР
Миниатюрное термосопротивление, выполненное в виде тонкой пластинки, выкрасили в глубокий черный цвет. Потом термистор заключили в стеклянный баллончик и удалили оттуда воздух, чтобы прибору не мешала внешняя среда. Получился так называемый болометр. Вся падающая на пластинку лучистая энергия поглощается черным красителем. При этом она превращается в тепло и нагревает термистор.
Материал для термистора подобран с таким расчетом, чтобы самые небольшие перемены температуры заметно меняли его электропроводность. Это дает возможность измерять полупроводниковым болометром ничтожные дозы лучистой энергии. Им можно, в частности, регистрировать количество лучистой энергии в разных частях спектра.
Откройте заслонку печи и выпустите оттуда луч. Исследовав его спектр болометром, вы сможете определить, в каком месте сосредоточено там больше всего энергии. А по этим данным вы узнаете температуру с точностью, в которую трудно поверить, — до стотысячных долей градуса!
Конечно, установка прибора, расчеты — довольно кропотливое занятие. Но все эти действия поддаются механизации.
Теперь поставим другую задачу: измерить на расстоянии температуру темного, несветящегося нагретого предмета.
Неужели и это возможно?
На проволочной подставке — чугунный утюг. Горячий он или холодный? По виду не отличишь. Значит, надо прикоснуться? Необязательно. Поднесите поближе ладонь, и вы почувствуете, как из металла струится тепло. Может быть, нагретый воздух омывает руку? Нет, воздух здесь пи при чем. Повторив опыт в пустоте, вы тоже ощутите {37} тепло. Оказывается, это та же лучистая энергия, испускаемая любым нагретым телом. Только здесь лучи невидимые. Их называют в физике инфракрасными. Они, как и световые, способны преломляться в призмах, образуя полоски спектра (уже невидимого). И спектр этот для разных температур также различен. Полупроводниковым болометром инфракрасный спектр удается исследовать не хуже, чем видимый. Значит, температуру утюга можно определить на расстоянии.
Инфракрасные лучи струятся и из просто теплых предметов. Их источником, в частности, служит наша кожа. Выходит, температура тела человека тоже доступна измерению на расстоянии? Нет. Пока это не удается — возникает масса технических трудностей. Но никто не сказал, что путь закрыт. Быть может, недалеко время, когда появится медицинский дистанционный полупроводниковый электротермометр. Не тревожа больного, врач будет на расстоянии узнавать его температуру.
Полупроводниковый болометр необычайно чувствителен. Это особенно ясно видно на примерах простой регистрации тепловых лучей (без измерения температуры). Поместив такой прибор в фокусе вогнутого параболического зеркала, вы сможете уловить издалека малейшее ненормальное нагревание в работающей машине. Прибор без труда зарегистрирует тепло пролетающей птицы; на расстоянии в несколько километров он обнаружит горящую папиросу.
Был сделан такой опыт. Невидимый инфракрасный луч послали с Земли к Луне. Отразившись от лунной поверхности, он вернулся и был уловлен полупроводниковым болометром.
Мы убедились, насколько широк диапазон применения термосопротивлений — уловителей тепла и измерителей температуры: от медицины до металлургии, от глубоких земных недр до поднебесья, даже до самой Луны.
Но только ли термометрами могут быть термисторы?
{38}
СИЛА ДУНОВЕНИЯ
Дуновением мы гасим свечу. Оказывается, тем же способом можно и включить свет.
В Московском Политехническом музее демонстрируется любопытный автомат-игрушка. Перед вами крошечный термистор. Стоит слегка дунуть на него — и сбоку загорается лампочка.
Загорается и вскоре гаснет. Что произошло?
От дуновения чуть-чуть изменилась температура и, следовательно, электропроводность полупроводника. Ток, текущий через прибор, увеличился и включил реле, зажигающее лампочку. Таково простейшее автоматическое реле на термисторе.
