ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Проблема термоэлектрических материалов Соединения на основе теллурида висмута - современные промышленные материалы для термоэлектрических охладителей и генераторов Б. М. Голъгщан) из "Термоэлектрическое охлаждение" Среди достаточно большого количества научной и научно-технической литературы, посвященной термоэлектрическому методу прямого преобразования энергии, найдется совсем немного публикаций, в которых вопросы физики процессов, происходящих в термоэлектрических преобразователях, да еще и в популярном изложении, предшествовали бы массированному натиску математического аппарата, придающего проблеме, с одной стороны, строгость и стройность, а с другой стороны, превращающей реальные процессы в комбинации уравнений и их преобразований. [c.9] Данная лекция - одна из попыток в достаточно популярной форме изложить физику процессов, происходящих в термоэлектрических преобразователях энергии. [c.9] Энергетика - одна из главных движущих сил человечества. Начиная с первобытных времен потребление энергии на душу населения возросло в 5 тыс. раз, в то время как потребление, например, пищевых калорий - лишь в несколько раз. Несомненно, энергетика -очень важная, серьезная и почетная область человеческого знания и технического прогресса. [c.9] Таким образом, термоэлектричество - один из принципиально важных этапов на техногенном пути развития человечества. [c.10] Техногенный путь привел к созданию механических циклов превращения природной энергии в то, чем может пользоваться человек-Все эти циклы практически являются непрямыми (рис. 1). Так, например, получение электрического тока сегодня на 95 % обеспечивается электростанциями. Гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию за счет действия падающей воды, совершающей механическую работу. Основа - эффект Фарадея. Теплоэлектростанции используют тот же эффект, а работа совершается перегретым паром. [c.10] Важно отметить, что данный путь превращения одного вида энергии в другой сопровождается многочисленными негативными эффектами наличие движущихся частей ограничивает срок службы преобразователей энергии, создает шумовое загрязнение, велики и энергетические потери, существует опасность аварий. [c.10] Один из видов прямого превращения энергии, который был открыт лишь несколько десятков лет назад - солнечные батареи - это колоссальный сдвиг с точки зрения возможностей человека (рис. 2). [c.10] Вернемся, однако, назад и рассмотрим период так называемого великого десятилетия (1820-1831 гг.) (рис. 3). В 1820 году Х.К. Эрстед, наблюдая прохождение электрического тока в цепи, увидел отклонение находящейся рядом магнитной стрелки и понял, что электрический ток создает магнитное поле. Простейший опыт, который сегодня показывают на уроках физики в школе, означал на деле серьезнейший технический шаг всего человечества вперед. Через год (1821 г.) Т. Зеебек, имея цепь, состоящую из двух разнородных материалов, нагревая один конец цепи, увидел такое же изменение положения магнитной стрелки. Впервые наблюдалось прямое превращение тепловой энергии в электрическую, поскольку отклонение магнитной стрелки означает появление в цепи электрического тока. Интересно отметить, что сам Т. Зеебек так не считал. Он объяснял это явление намагничиванием материала под влиянием высокой температуры. До конца своей жизни он так и не признал наличия термоэлектрического явления, им открытого. [c.11] Спустя три года после знаменитого опыта Фарадея швейцарский физик-любитель Ж. Пельтье обнаружил, что в цепи такого же типа, если в ней существует постоянный электрический ток, возникает разность температур. То, что один конец нагревался, не вызывало удивления - к тому времени эффект Джоуля был хорошо известен, но охлаждение спаев производило шокирующее впечатление- Было совершенно непонятно, почему пропускание электрического тока вместо нагрева вызывало охлаждение. Изменение направления движения тока меняло тепловое состояние спаев, т. е. эффект оказался обратимым. [c.13] Хотя Т. Зеебек и не признал электрическую основу своего эффекта, тем не менее, будучи настоящим ученым, он начал подбирать комбинации материалов, которые давали наилучшие результаты -наибольшее отклонение магнитной стрелки и максимальную ско-. рость ее отклонения. [c.13] В то время это было просто комбинацией материалов. Сейчас же мы знаем, что эти элементы расположены в порядке изменения термоэлектродвижущей силы, так называемой электронной или дырочной. Практически неизменный этот ряд Зеебека неожиданно сыграл свою техническую роль спустя 120 лет. Несколько забегая вперед, можно отметить, что с использованием крайних членов этого ряда Зеебека (РЬ8 и 8Ь2п) был изготовлен преобразователь тепловой энергии в электрическую - партизанский котелок. Горячий спай прогревался теплом костра. Температура холодного спая поддерживалась кипящей водой. Такой котелок давал несколько ватт электроэнергии, достаточной для питания радиостанций партизанских отрядов. Немцам так и не удалось разгадать этот технический фокус. [c.13] Оба эффекта заняли свое почетное демонстрационное место лишь в общих курсах физики. [c.14] Интереснейший опыт был проведен в 1838 году в Петербургском Университете академиком Э.Х. Ленцем, который впервые заморозил каплю воды на стыке двух металлов В и 8Ь, кстати, пропуская ток в 100 А. То есть уже в то время примитивные гальванические батареи могли давать столь большие токи. Опыт казался чудом. Тем не менее, все это оставалось достаточно экзотическим и не находило достойного применения. [c.14] Таким образом, первым этапом термоэлектричества можно считать эпоху открытия эффектов и определения их принципиальных возможностей. [c.14] В то время, когда Зеебек составил свой ряд, крайние его члены при разности температур в 300 С (что было возможным осуществить, поскольку температуры плавления этих материалов достаточно высоки) могли обеспечить коэффициент преобразования теплоты в электрическую энергию около 2,5 % (при расчете по современным формулам, которые тогда были неизвестны). Такой же КПД имели и первые паровые машины. Таким образом, у человечества была принципиальная возможность пойти по пути термоэлектрической энергетики сразу после открытия эффекта Зеебека. Ио техника земной цивилизации была к этому не готова - материалы отсутствовали, металлургия и химия не были достаточно развиты. Кроме того, техника превращения механической энергии в электрическую начала бурно развиваться. Весьма возможно, что не будь открытия Фарадея, термоэлектрический путь развития энергетики начался бы уже в первой половине XIX века. [c.14] Второй эпохой развития термоэлектричества можно назвать эпоху, связанную только с одним именем — немецкого инженера и теоретика Е. Альтенкирха. [c.14] Понятия о холодильном коэффициенте, 2-эффективности и другие были введены именно Е. Альтенкирхом, включая и все обозначения, которые мы сегодня используем. Была создана стройная теория, рассматривающая почти все процессы. [c.15] Следует оговориться, что далее для упрощения мы не будем касаться такого термоэлектрического явления, как эффект Томсона, который несомненно присутствует, но не играет определяющей роли (его не учитывал и Е. Альтенкирх). [c.15] в чем его несомненная заслуга. Работы Иоффе и его школы можно считать третьей эпохой развития термоэлектричества и на сегодня - последней. [c.15] Вернуться к основной статье