8-10. Электрическая энергия из тепловой
В замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников — например, в цепи из медных и железных проволок, — можно возбудить электрический ток, если одно из мест соединений разнородных проводников нагреть до температуры более высокой, чем остальные места соединений.
Когда вся цепь находится при одинаковой температуре, то никакого тока в ней нет. Но если одно из мест соединений меди и железа (в нашем примере) нагреть, скажем, газовой горелкой, то электроны из меди начнут переходить в железо. Это движение электронов распространится по всей цепи. В цепи пойдет электрический ток.
Ток, вызванный нагреванием одного из мест соединения разнородных проводников, называется термоэлектрическим. Возникающее при этом электрическое напряжение — термоэлектродвижущая сила (сокращенно термо-э. д. с.) зависит от того, какие материалы соприкасаются. Медь и железо — это не наилучшая термопара. Можно подобрать металлы и сплавы, дающие большую термо-э. д. с.
Для всякой термопары развиваемая термо-э. д. с. тем больше, чем выше температура нагрева (вернее, разность температур между нагретым и не нагретым местами — спаями). Но даже у самых лучших термопар при больших температурах нагрева термо- э. д. с. измеряется всего лишь тысячными долями вольта (милливольтами).
Чтобы получить хотя бы несколько вольт, надо последовательно включать много термопар, строить большую термобатарею.
Термоэлектрические явления известны очень давно, и также давно делались предложения использовать их для получения больших количеств энергии. Одно обстоятельство мешает этому.
Наряду с потоком электронов из нагретого соединения движется еще и поток тепловой энергии, происходит вредная утечка тепла из нагретого соединения к холодной части цепи. Эта утечка тепла в десятки раз превышает полезную энергию электрического тока, к. п. д. термоэлемента из металлических проводников не превышает долей процента.
Есть и ценные свойства у термобатарей. Они мало изнашиваются в работе. Если нагрев постоянен, то они дают очень устойчивое напряжение. Термобатареей пользовался Георг Симон Ом, когда устанавливал свой знаменитый закон зависимости силы тока от напряжения и электросопротивления цепи — «закон Ома».
Чтобы повысить полезную отдачу термоэлемента, надо найти пару материалов, которая бы не только развивала большую термо-э. д. с., но и имела малую теплопроводность — это уменьшило бы вредную утечку тепла.
Наилучшие пары, которые удалось подобрать физикам, — это сочетание металлов с полупроводниками. Одна из хороших пар — сернистый свинец с константаном.
8-11. «Партизанский чайник»
Во время Отечественной войны в одной из лабораторий была предложена переносная термобатарея в виде чайника. Дно чайника обкладывалось набором последовательно соединенных термоэлементов. Каждый термоэлемент состоял из кубика сернистого свинца, снабженного с двух сторон константановыми обкладками. Внутрь чайника наливалась вода, и чайник вешался над костром. Внешние спаи термоэлементов, обращенные к пламени костра, нагревались до значительно более высокой температуры, чем внутренние спаи, омываемые водой: внутренние спаи никак не могли нагреться выше температуры кипения воды — 100° С. Разность температур внутренних и внешних спаев могла достигать нескольких сотен градусов.
В большом чайнике с дном, покрытым мозаикой из последовательно включенных сернисто-свинцовых термоэлементов, можно было получать напряжение шесть вольт и ток в несколько ампер. Образцы таких чайников были изготовлены и демонстрировались командованию: по мысли конструкторов, чайники-термобатареи могли бы применяться для питания небольших радио- установок.
Но увы! Этот термоэлектрический источник энергии не выдержал конкуренции с устройством, которое шутливо называлось «солдат-мотор» — маленьким генератором, приводившимся в движение мускульной силой человека. Генераторы на несколько ватт приводились в движение руками, а генераторы на несколько десятков ватт строились с педальным ножным приводом.
Мне довелось быть оператором такой станции и «ездить» на бесколесном велосипеде.
8-12. На что пригодно термоэлектричество
Термоэлементы находят широкое применение в современной науке и технике. Выше мы говорили о том, что напряжение, развиваемое термоэлементом, очень устойчиво: оно зависит только от температуры «горячего» спая (который так называют в отличие от второго — «холодного» спая, находящегося при постоянной температуре). Поэтому термоэлементы (термопары) очень охотно применяются для точного измерения температур. Они способны регистрировать изменения в тысячные доли градуса и используются в точнейших физических и биологических исследованиях, но в то же время ими можно мерить и очень высокие температуры. Показания их легко передавать на расстояние. В гл. 3 этой книги говорилось о применении термопар для измерений токов высокой частоты. Широко применяются термопары в установках с автоматическим контролем температуры.
В условиях, когда нет возможности пользоваться энергией электростанций (в неэлектрифицированных местностях, в геологических экспедициях), получили применение для питания радиоприемников «керосиновые термогенераторы» — комбинация керосиновой лампы и термобатареи.
Перспективы создания и применения эффективных конструкций термоэлементов значительны.
8-13. Электроны из раскаленных тел
Раскаленные тела испускают электроны. В струе кислорода уголь сгорает, развивая очень высокую температуру, и при этом электронное излучение угля довольно велико. Если поместить вблизи раскаленного угля холодную металлическую пластинку—коллектор, то между пластинкой и углем возникнет электродвижущая сила величиной до нескольких вольт. При замыкании цепи по ней пойдет ток.
Этот опыт воодушевлял многих изобретателей на сооружение новых электрогенераторов. Механизм получения энергии в таких генераторах — нечто среднее между элементом горения и термоэлементом. Все их отрицательные свойства — малый к. п. д., малая энергонапряженность — налицо и здесь. Сейчас найдены способы обойти эти затруднения, и так называемые термоэлектронные преобразователи начинают входить в жизнь, в первую очередь с целью использования отбросного тепла атомных реакторов.
8-14. Перенос зарядов струями газа и пара
Свыше ста лет тому назад было впервые обнаружено, что струя влажного пара, ударяясь об изолированное тело, может зарядить его до высокого напряжения.
По проекту Фарадея в 1845 г. была построена пароэлектрическая машина. Котел длиной около метра и диаметром полметра был укреплен на изолирующих стеклянных ножках. В нем поддерживалось давление шесть атмосфер. Пар вырывался из шести параллельно расположенных сопел, изготовленных из твердого дерева и охлаждаемых снаружи водой. Струи пара направлялись на металлическую гребенку, соединенную с металлическим шаром, укрепленным на изолирующей стеклянной ножке.
Шар заряжался при этом до напряжения в несколько тысяч вольт; из него можно было извлекать искры длиной до 60 см.
Фарадей дал следующее объяснение действию этого генератора. Благодаря тому, что сопла охлаждались водой, пар частично конденсировался и выходная струя содержала в себе мельчайшие капельки воды. При трении о стенку сопел капельки заряжались положительным электричеством и, попадая на гребенку, отдавали ей свой заряд.
Вследствие того, что капельки уносили с котла положительные заряды, сам котел заряжался до высокого отрицательного потенциала. Коэффициент полезного действия этой пароэлектрической машины был ничтожно мал, действовала она неустойчиво и практического применения не получила. Описания ее можно найти в старинных курсах электротехники.
Неоднократно делались попытки создать более совершенные конструкции пароэлектрического генератора, но все они кончались неудачами. В 30-х годах нашего столетия появились новые веяния в области использования для генерирования электроэнергии явления переноса зарядов быстро движущимися струями пара и газа.
