Глеб Анфилов - Что такое полупроводник
Каждый дымоход, каждую трубу с горячим или просто {53} теплым газом, с чуть нагретой сточной водой можно одеть в кольца из батарей полупроводниковых термоэлементов. Когда мы сделаем эта, бросовое тепло, преобразованное в электрический ток, станет двигать машины, питать энергией приборы, освещать улицы. Оснастив термобатареями котельные жилого дома, мы сможем в придачу к теплу получить столько электроэнергии, сколько требуется на все бытовые нужды — в том числе на электроплитки, холодильники, пылесосы — всем обитателям квартир.
Шоферу или владельцу автомобиля, попавшему в какой-нибудь глухой уголок, порой немало хлопот доставляет зарядка аккумуляторов. Полупроводники избавят его от этой заботы. Ведь отработанные газы автомобильного двигателя довольно сильно нагреты. И если заключить в кольца термоэлементов выхлопную трубу, по которой газ выбрасывается наружу, от них в аккумуляторы потечет ток.
Кто знает, быть может, в будущем, когда полупроводниковых материалов станет много (а к этому стремятся наука и индустрия), заводские трубы станут складывать не из кирпичей, а из полупроводниковых термопар. Внутри трубы — горячий дым, снаружи — прохладный воздух. В полупроводниковых «кирпичах» рождается электроэнергия. Заводская труба играет роль электростанции.
А если доменную печь сложить из термоэлементов? Получится сдвоенное предприятие: домна — электростанция. Конечно, до этого еще далеко. Предстоит найти полупроводники с идеальным сочетанием нужных свойств, сделать их дешевле цемента. Труднейшие задачи! Но каждый день приближает нас к их решению. {54}
ЭНЕРГИЯ ИЗ НЕДР
Давно уже работает наука над прогрессивным способом освоения угольных залежей — подземной газификацией. Вместо того чтобы извлекать уголь из пластов и поднимать его на поверхность, в недра нагнетают кислород и прямо под землей поджигают уголь. Там твердое топливо сгорает, но лишь частично. В процессе горения образуется газ, который сам служит отличным горючим и к тому же ценным химическим сырьем. Этот газ может идти на заводы, химические комбинаты, в наши квартиры.
Подземная газификация экономит огромное количество сил и средств, а главное — избавляет человека от тяжелого подземного труда. Но как много тепла теряется понапрасну! Ведь оно уходит на бесполезный разогрев земных недр!
И вот представьте себе, что скважины, по которым поднимается раскаленный газ из огневых забоев станций подземной газификации, охвачены блоками полупроводниковых термоэлементов. Сколько драгоценной энергии пойдет тогда от пылающего пласта!
Полупроводники будут добывать электроэнергию и из природных источников тепла.
В Башкирии, на реке Юрюзань, один из прибрежных холмов окрестные жители называют Яган-тау — Горящей горой. Это название оправдано. В глубине холма тлеют сланцы, и из щелей бьют струи горячего пара. Чтобы превратить такой холм в электростанцию, достаточно забить в него сваи из полупроводников.
Получив обилие этих замечательных материалов, мы преобразуем в электроэнергию и тепло горячих гейзеров, подземных вод и газов, наконец, само солнечное тепло. Здесь полупроводники открывают поистине необозримые перспективы. Мы еще будем говорить о них дальше.
А сейчас вернемся к нашей термопаре, чтобы рассказать о ее другой интересной особенности.
{55}
ЭЛЕКТРОННЫЙ МОРОЗ
Идея полупроводниковых термоэлектрогенераторов зародилась в Ленинграде, в лаборатории полупроводников Академии наук СССР, которая впоследствии была преобразована в Институт полупроводников Академии наук СССР. Здесь возникла и другая мысль: создать на основе полупроводников новые оригинальные холодильные устройства.
Мы знаем, что если один конец термопары нагреть, а другой охладить, то в ней рождается электроэнергия. Оказывается, существует и обратный эффект: пропустите через термопару постоянный ток, и с одной стороны она начнет нагреваться, а с другой — остывать.
На холодном спае появляется иней, лед.
Стопа полупроводниковых охлаждающих батарей.
{56}
В применении к металлам это явление открыл в 1834 году французский физик Жан Пельтье. Год спустя петербургский академик Э. X. Ленц на спае стерженьков из сурьмы и висмута заморозил электрическим током каплю воды. Но лишь в наши дни удалось найти полезное применение этого интересного явления. Дело в том, что в полупроводниковых термопарах эффект Пельтье проявляется очень резко — несравненно сильнее, чем в металлах.
ХОЛОДИЛЬНИК БЕЗ МОТОРА
Несколько полупроводниковых термопар соединили последовательно и сложили в плитку. Включили ток. Наверху плитка охлаждается, внизу разогревается. Сделали другую такую же плитку. Включив и в нее ток, положили на первую, причем теплыми спаями вниз. Эти спаи остывают в холоде нижней плиты, а наверху второй плитки возникает еще более сильный мороз. Такую многоэтажную стопу полупроводниковых плит — блоков термопар — очень удобно использовать для получения искусственного холода. Не потребуется никаких двигателей, насосов, жидкостей. А ведь прежде они считались обязательной принадлежностью холодильных установок.
Простота создания электронного мороза открывает ему широкую дорогу в жизнь. Быть может, скоро в ларьках с газированной водой баки будут оснащены стопами полупроводников. Тепло встретят этот новый искусственный холод и продавцы мороженого. Ведь не нужно будет возить издалека тонны льда, твердую углекислоту. Всюду, где есть электроэнергия, появится возможность без хлопот иметь и холод.
Для небольшого домашнего холодильника не понадобится даже стопы, достаточно одной—двух одноэтажных плиток из термопар.
В Институте полупроводников построили уже несколько моделей домашнего электронного холодильника. Вот одна из них:
Полупроводниковый холодильник.
Белый шкаф — такой же, как у всех подобных аппаратов. В задней части его гребень металлических пластин радиатора. С ним соединены нагревающиеся концы брусочков полупроводниковых термопар, чтобы они легче отдавали свое тепло наружу. Такой же гребень (но уже не отдающий тепло, а как бы вбирающий его в себя) смонтирован внутри холодильного шкафа. Его пластины соединены с теми концами полупроводников, которые охлаждаются при прохождении через термопары электрического тока. Сама батарея — небольшая прямоугольная пластинка, составленная из нескольких десятков полупроводниковых брусочков. Вот и все оборудование холодильника,
Он гораздо вместительнее, чем широко известный у нас холодильник завода «Газоаппарат», но вместе с тем в десятки раз надежнее.
Уже разработаны и промышленные конструкции полупроводниковых холодильников. Их размещают в известных шкафах «Газоаппарат» и «Днепр». Эти простые и неприхотливые электроаппараты скоро начнут сходить с заводского конвейера.
ХОЛОДИЛЬНИК ВЫВЕРНУТ НАИЗНАНКУ
Любопытная деталь. Стоит переменить направление тока в элементах холодильника, и он словно вывернут наизнанку. Теперь греется внутренний радиатор, а наружный {58} охлаждается. Так вместо холодильника получается своеобразный духовой шкаф.
Переключением тока мы словно перебрасываем тепло и холод, меняем их местами. Это и понятно. Ведь тогда в термопарах направление движения электронов и дырок обращается в противоположные стороны.
На радиостанциях стоят так называемые кварцевые стабилизаторы частоты — они следят за постоянством длины волны, на которой идет передача. Стабилизатор должен находиться в камере, где температура всегда строго постоянна. Иначе он будет вибрировать то чаще, то реже — в зависимости от перемен температуры. Чтобы не допустить этого, в камеру вводят половину батареи термопар и термистор. Термистор все время измеряет температуру и, если она почему-либо понизится, немедленно дает электрическую команду на реле, которое включает ток в термопару. А если температура понижается, направление тока также автоматически меняется на противоположное. Тогда камера начинает нагреваться. Полупроводниковые приборы бдительно следят за температурой в камере.
Подобные термостаты и холодильники нетрудно сделать, если нужно, очень маленькими — с чайный стакан, даже с наперсток. Одни из них спасают от опасного перегрева миниатюрные детали различных аппаратов. Другие охлаждают живые ткани, микроорганизмы, сохраняя их температуру при исследованиях под микроскопом. На основе миниатюрного полупроводникового холодильника, состоящего из одной термопары, удалось построить очень удобный гигрометр — прибор для измерения влажности воздуха.
