Что такое полупроводник - Анфилов Глеб Борисович. Страница 7
Еще не так давно, когда термисторов не было, туго приходилось инженерам при решении подобных задач. Применяли сложные и капризные электронные реле времени. Иногда ставили даже различные часовые механизмы. Теперь все стало несравненно проще, дешевле, а главное — надежнее.
ДЫХАНИЕ ДОМНЫ
Много хлопот доставляет обслуживание доменной печи. Надо вовремя и строго по рецепту давать ей обильную «пищу» — шихту, надо тщательно следить за ее «дыханием»: количество, температура, влажность воздуха, вдуваемого в печь, должны быть строго постоянными.
На глазок, вручную при нынешних режимах чугунолитейного производства возле домны не поработаешь. Что стоит недосмотреть какую-нибудь мелочь! Скажем, солнце припекло, воздух стал чуть суше. Человек и не заметил — до того ли рядом с пышащей жаром махиной! А домна заметила. Сразу изменился «ход» печи, ухудшился чугун. Вот почему инженеры оснастили домну множеством автоматов. Человек может теперь вполне положиться на них.
Один из самых важных приборов домны — автоматический регулятор влажности дутья. Основой его может отлично служить термистор.
Термосопротивление, поставленное в потоке дутья, покрыто полоской ткани, которая все время искусственно увлажняется. Но ткань обдувается воздухом, и влага с нее испаряется — словно белье сохнет на ветру. Испарение всегда сопровождается охлаждением (вспомните, как на ветерке после купанья «мороз пробегает» по коже). Белье сохнет лучше в ясный день. Значит, если чуть суше {41} воздух дутья — сильнее испаряется влага с ткани. Но при этом ткань больше охлаждается и остужает термистор. Сразу уменьшается ток, текущий через прибор. Эту перемену тут же воспринимает механизм, который вводит в дутье добавочный водяной пар. Влажность воздуха автоматически поддерживается одинаковой.
Другие устройства регулируют, температуру дутья и его количество. Автоматы гарантируют домне спокойное, ровное «дыхание».
Можно без конца рассказывать о применениях термосопротивлений. Но, пожалуй, и без того понятно, как велика практическая важность этих несложных приборов,
Термисторы воплотили в себе только одно свойство полупроводников: резкую зависимость электропроводности от температуры. Но при нагревании полупроводников проявляется и другая их особенность — несколько более сложная, но чрезвычайно интересная и важная для технического прогресса. К ней мы сейчас и переходим.
{42}
ПОГОНЯ ЗА ТЕПЛОМ
{43}
В ЛЕСНОЙ ИЗБУШКЕ
Мы далеко от города — в таежном краю, в непроходимой лесной чаще.
Среди занесенных снегом могучих елей приютилось несколько приземистых избушек охотничьей фактории.
Зимний день короток. Рано загораются огоньки керосиновых ламп за морозными узорами окошек. С наступлением темноты совсем тихо, спокойно становится кругом. Тайга спит. Но люди бодрствуют, они живут, связанные незримыми нитями со всей страной.
Войдите в любой из домиков. Вы услышите перезвон курантов Спасской башни, голос прославленного ученого из столицы, музыку дальних стран. Радио! Оно особенно дорого в глуши, куда не дотянулись еще линии электропередач.
Приемник черпает энергию от электрических батарей. Когда они в порядке, комната полна звуками большого мира. Но случается — батареи подводят. Истощились они, и стало тихо, сиротливо. Еще совсем недавно это считалось неизбежностью. А теперь батарейный приемник может работать без батарей. {45}
Термоэлектрогенератор на керосиновой лампе.
Под потолком на цепочках висит странного вида керосиновая лампа. В верхней части ее — темная трубка. Она окружена большими металлическими пластинами — словно старинный воротник «жабо» надет на лампу. Из-под «воротника» тянется пара проводов к стоящему рядом приемнику «Родина».
Возвращается к вечеру домой охотник или лесник, зажигает лампу. В комнате светло. Проходит несколько минут, и приемник словно пробуждается. Освещается шкала настройки, набирает громкость голос далекого города.
Почему ожил приемник?
НОВОЕ СВОЙСТВО
Раньше мы подробно говорили о двух видах полупроводников — электронном и дырочном. В первом при нагревании освобождаются электроны, во втором — появляются дырки.
Сделаем из каждого такого полупроводника по брусочку, поставим их рядом и припаяем сверху к их торцам металлическую пластину. Получилось нечто вроде буквы «П» — так называемая термопара, или термоэлемент. Теперь прижмем спаянные концы брусочков (верхнюю перекладину буквы) к чему-нибудь горячему, а свободные концы, наоборот, охладим.
Простейшая полупроводниковая термопара.
Справа — столбик электронного полупроводника, а слева — дырочного. В концах столбиков скапливаются освобожденные теплом электрические заряды. Так тепло преобразуется в электрическую энергию.
В нагретом конце электронного брусочка появятся {46} освобожденные нагреванием электроны. Они забегают, начнут сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец брусочка — туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но мы помним, что электроны — отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце брусочка появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд.
В горячем конце дырочного бруска возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Но, как вы помните, дырка ведет себя подобно частице, наделенной положительным электрическим зарядом. Значит, холодный конец дырочного брусочка термопары приобретает положительный заряд.
Эти заряды тем больше, чем значительнее разность температур горячего и холодного концов обоих брусочков. {47}
Итак, на холодных концах термопары появились разноименные электрические заряды. Стоит соединить их проволочкой, и по ней потечет электрический ток. Тепло превращено в электроэнергию. Это и происходит в нашей лампе.
СЕКРЕТ «ВОРОТНИКА»
Заглянем под «воротник» лампы. Там тесно прижались друг к другу серые, тускло блестящие столбики величиной с ириску «Золотой ключик». Это термоэлементы. В них и рождается электрический ток.
Какие полупроводники можно применить для термопар? Нетрудно понять, что они должны удовлетворять следующим требованиям: во-первых, создавать нужное количество электронов или дырок при нагревании; во-вторых, неплохо проводить электрический ток (тогда электроны или дырки легче перекочуют от нагретых концов к холодным); в-третьих, плохо передавать тепло (чтобы резче была разница температур на противоположных концах термопар).
Нелегко найти вещества, наделенные одновременно всеми этими свойствами. Как правило, материал, хорошо проводящий электрический ток, отлично проводит и тепло. Только глубокий теоретический анализ явления и многочисленные опыты помогли ученым создать нужные материалы — особые сплавы со специальными примесями; сплавы эти неплохо проводят ток, а примеси как бы укрепляют, «дисциплинируют» внутренний строй атомов, удерживают их от чрезмерно сильного теплового движения. В результате теплопроводность материала уменьшается. Из таких сплавов и сделаны термоэлементы нашего «воротника».