§ 84. Термоэлементы в качестве генераторов.

Мы видели в предыдущем параграфе, что термоэлемент представляет собой тепловой генератор электрического тока, т. е. прибор, в котором часть тепла, нагревающего горячий спай, превращается в электрическую энергию; остальная часть тепла отдается холодным спаем в окружающую среду. Однако вследствие большой теплопроводности металлов тепло, переходящее путем теплопроводности от горячего спая к холодному, значительно больше, чем тепло, превращаемое в электрическую энергию. К тому же из электрической энергии, создаваемой термоэлементом, некоторая доля превращается в самом термоэлементе в тепло и не может быть использована. Обусловленные этими причинами затраты тепла настолько велики, что к. п. д. термоэлементов из металлических проводников не превышает 0,5 %, тогда как для идеальной тепловой машины мы должны были бы по формуле (83.2) ожидать при разности температур, равной 300° С, к. п. д. около 50 %. Поэтому металлические термоэлементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока.

Однако термо-э.д.с. могут возникать также в цепях, содержащих места соприкосновения металлов с некоторыми специально изготовленными полупроводниками. При наличии разности температур между такими спаями возникает термо-э.д.с., которая в десятки раз превышает термо-э.д.с. чисто металлических термоэлементов и достигает 0,1 В на 100° С разности температур. Вместе с тем вследствие малой теплопроводности полупроводников соотношение между количеством теплоты, превращаемой в электрическую энергию, и количеством теплоты, теряемой путем теплопроводности и выделяемой током, становится гораздо более благоприятным. К. п. д. полупроводниковых термоэлементов достигает 15 % и может быть еще повышен. Полупроводниковые термоэлементы позволяют уже реально поставить вопрос о создании достаточно экономичных технических тепловых генераторов тока, в которых тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую.

Для сравнения можно указать, что в паровозах топливо используется с к. п. д. от 4 до 8 %, а в паровых машинах малой мощности к. п. д. равен 10 %. Впрочем, в лучших тепловых электростанциях к. п. д. достигает 30 %, а в двигателях внутреннего сгорания, работающих на высококачественном жидком топливе, он доходит до 40-50 %.

Изучение свойств полупроводников показало, что существуют полупроводники двух различных типов. В одних ток в горячем спае идет от металла к полупроводнику, в других – от полупроводника к металлу. Поэтому выгодно строить полупроводниковые термоэлементы так, как показано на рис. 137. При этом термо-э.д.с., создаваемые на контактах каждого из полупроводников с металлом, складываются. Соединяя последовательно нужное число таких термоэлементов, можно получить батарею с достаточно высокой термо-э.д.с.

Рис. 137. Схема устройства полупроводникового термоэлемента: 1 и 2 – полупроводниковые стержни разных типов, 3 – соединительный металлический мостик, подогреваемый внешним источником тепла,  – сопротивление внешней цепи, в которой используется электрическая энергия. Внешняя цепь присоединяется к холодным концам стержней 1 и 2, охлаждаемым воздухом или проточной водой