Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2005 № 03
Однако эти устройства отнюдь не исчезли. Низкий КПД прежних термоэлектрических генераторов объясняется несовершенством материалов, в качестве которых применялись металлы. Идеальный материал для этих целей должен обладать низким сопротивлением и как можно хуже проводить тепло. В этом отношении полупроводники намного превосходят металлы. На основе сернистого свинца, например, в нашей стране еще в 1940 году были созданы генераторы, имевшие КПД 3 %.
Сегодня КПД полупроводниковых термоэлектрогенераторов превышает 20 %. Но получение этих веществ достаточно сложно и пока оправдывается лишь в случае применения их для очень важных целей.
Сделать термогенератор можно и в домашних условиях. Полупроводниковые термоэлементы у вас, конечно, не получатся. Однако в современных условиях многое может дать и термоэлектрический генератор на основе металлов.
Чтобы осветить небольшую квартиру, вполне достаточно 8 — 10 современных экономичных ламп мощностью по 10 Вт. Каждая такая лампа дает столько же света, сколько давала одна свеча Яблочкова такой же мощности или лампа накаливания мощностью 60 Вт.
Если для их работы взять энергию от печи Кламона, то ей хватило бы 1–1,5 кг угля в час. Из-за низкого КПД в ней только 1 % тепла сгоревшего топлива превратился бы в электричество. Но если оставшиеся 99 % тепла не выпускать в трубу, а использовать по хозяйству, их достаточно для получения 50 литров кипятка в час, хватит для обогрева помещения и приготовления пищи. Все это очень ценно в нашем холодном климате. А в летнее время избыток тепла можно направить в абсорбционные установки для получения холода. (Их устройство тема особого рассказа.) Однако работу над таким сложным устройством сразу начинать не стоит.
В некоторых странах выпускается термоэлектрический генератор, выполненный как насадка на керосиновую лампу (рис. 4).
Устройство это одновременно дает свет, тепло и питает радиоприемник. Низкий КПД превращения тепла в электроэнергию особого значения не имеет, поскольку все тепло здесь тратится только на пользу. Если учесть, что сегодня треть человечества живет при керосиновых лампах, то понятно, почему спрос на эти устройства стабилен.
Более полувека тому назад наши радиолюбители самостоятельно делали такие термоэлектрические генераторы для питания ламповых радиоприемников. Современные транзисторные приемники потребляют в десятки раз меньшую мощность. В рубрике ЗШР вы найдете схему очень экономичного радиоприемника, которую разработал наш постоянный автор, инженер Ю.Г. Прокопцев.
Термоэлектрический генератор для его питания мог бы работать от миниатюрной газовой горелки для пайки ювелирных изделий или даже от свечи. Наибольшее напряжение при нагревании развивают такие металлы, как цинк, сурьма, висмут в паре с медью. Однако достать их трудно. Наши радиолюбители в своих термоэлектрических генераторах применяли пару железо-никелин. Неплохо работали пары, содержащие мельхиор и нейзильбер — эти сплавы широко применяются для изготовления чайных ложек, а никелиновые спирали можно найти в перегоревших нагревательных элементах от старых электросамоваров.
Первым делом вам нужно, исходя из своих возможностей, подобрать самую эффективную термоэлектрическую пару. После этого можно приступать к изготовлению батареи. Ее нужно паять серебром, нагревая место спая газовой горелкой. В качестве припоя лучше всего взять советский полтинник 20-х годов. Его следует попилить напильником, а опилки собрать на бумагу. Частицы стали от напильника, которые сильно затрудняют пайку, следует удалить магнитом. В качестве флюса применяется насыщенный раствор буры. Место пайки должно быть зачищено.
Возьмите, например, полоску железа и кусок мельхиора шириной 2–3 мм, смажьте их флюсом, посыпьте припоем и положите на кафельную плитку. Спаиваемые детали прижмите друг к другу при помощи шила и начинайте греть докрасна. В определенный момент серебро расплавится и растечется по месту спайки. После этого удалите горелку, подуйте и бросьте изделие в раствор флюса. Вот и все — пайка закончена (рис. 5).
Необходимая для питания приемника Ю. Прокопцева батарея должна состоять примерно из 30 термоэлектрических пар и развивать напряжение 2,5–3 В. Все ее элементы должны быть соединены серебром. Холодные концы спаев следует снабдить ребрами охлаждения. Это небольшие медные пластинки. В силу высокой теплопроводности меди паять ее серебром очень трудно. Но это и не нужно. Поскольку спаи холодные, пластины можно припаять обычным оловянным припоем.
Для более полного использования тепла горелки, батарею следует согнуть кольцом, а чтобы ее пластины не касались друг друга и не было короткого замыкания, проложите между ними кусочки стеклоткани.
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
Чуткое пламя
Когда ученые поняли, что звук — это не что иное, как колебания воздуха, им сразу же захотелось найти этому непосредственное подтверждение. В наши дни это просто: подключил микрофон к осциллографу — и смотри себе на экране во всех подробностях графическую зависимость амплитуды от времени. Раньше такой возможности не было. Но.
На первых порах применяли песок. Насыпали его в трубку и создавали в ней звук. Сначала песчинки беспорядочно прыгали. Но как только частота звука приближалась к резонансной, они выстраивались правильными рядами в узлах стоячих волн. Это, конечно, было подтверждением колебательной природы звука, но подтверждением неполным. Ряды песчинок ничего не говорили о зависимости амплитуды колебаний от времени.
В 1858 г. американский физик Д.Леконт обратил внимание на способность пламени газовой горелки реагировать на звук. Произошло это на концерте небольшого оркестра. В то время широко применялось освещение газом. Из кирпичной стены близ рояля выступали две газовые горелки. И когда зазвучала музыка, пламя одной из них начало пульсировать. Особенно это было заметно, когда раздавались сильные тона виолончели. Какова же чувствительность пламени? Она оказалась очень велика. И вы можете в этом убедиться в школьной лаборатории.
Возьмите широкую трубку, диаметром примерно 25 мм (рис. 1).
Торцы ее закройте, на концах просверлите два одинаковых отверстия диаметром 2 мм, а точно посередине между ними сделайте отвод и присоедините шланг к школьной газовой сети. Включите газ и зажгите его возле отверстий. Если трубка горизонтальна, то высота язычков пламени одинакова. Но стоит ее наклонить, и язычок пламени, оказавшийся ниже, станет длиннее, чем тот, что наверху. Объясняется это известной зависимостью атмосферного давления от высоты. Расчет показывает, что пламя здесь реагирует на давление, составляющее всего 0,00001 от давления в комнате. Столь чуткого и одновременно столь же простого прибора техника еще не знает!
С трубкой диаметром 50–80 мм и длиною около метра можно поставить другой опыт. По прямой линии просверлите вдоль нее через каждые 100 мм двухмиллиметровые отверстия, сделайте подвод для газа. Один из торцов закройте жестяной крышкой, другой — упругой резиновой пленкой. Подайте газ и зажгите его возле каждого отверстия. Появятся спокойные, одинаковые по длине язычки пламени. Приблизьте к торцу, закрытому пленкой, громкоговоритель, соединенный со звуковым генератором. Установите на нем частоту, которой соответствует длина звуковой волны, равная длине трубки. Часть звуковых волн начнет отражаться от закрытого торца трубки, возвращаться назад и складываться со звуком, приходящим от громкоговорителя. Так образуется стоячая звуковая волна. Язычки пламени вдоль всей трубки изменят свою длину (рис. 2).
Объясняется это просто. Амплитуда колебаний волны, а значит, и давление воздуха на концах трубки посередине — в узлах волны — близки к нулю. При малом давлении газа в этих точках огоньки могут даже погаснуть. Там, где амплитуда звуковой волны должна быть максимальной, максимальна и высота язычков пламени. В целом хорошо видно, что они выстраиваются по синусоиде, и это убеждает нас в правильности теории. И хотя сегодня этот факт легко подтверждается при помощи электронной аппаратуры, описанный опыт из-за его наглядности демонстрируют во многих университетских лабораториях мира. При помощи чувствительных к пламени газовых горелок в начале XX века делали даже системы оптической телефонной связи. Передатчиком служила газовая горелка, к пламени которой при помощи резиновой трубки непосредственно подводился человеческий голос (рис. 3).
Приемник — вогнутое зеркало с установленными в его фокусе селеновыми фотоэлементами, соединенными с батареей гальванических элементов и телефоном (рис. 4).
