У термоэлектричества – два отца: немец и француз. Первым из них был немец. 14 декабря 1820 года Томас Иоганн Зеебек (Thomas Johann Seebeck), академик Прусской академии наук, выступил перед коллегами с докладом и демонстрацией опыта. Зеебек обнаружил, что если взять проволочное кольцо, спаянное из двух разных металлов, и нагреть одно из двух мест их соединения, то стрелка компаса, находящегося рядом, отклонится. Он назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» и в 1822 году описал его в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур».
Зеебек отметил, что угол отклонения стрелки компаса и направление ее поворота зависели как от разности температур нагретого и ненагретого мест спайки, так и от того, какие вещества были взяты. Он экспериментировал, например, с висмутом, медью и сурьмой. Позднее ученые узнали, что изменение магнитного поля вызывается появляющимся в тот момент в веществе электрическим током, а само явление стали называть «эффектом Зеебека».
Позднее, в 1834 году, Жан Шарль Пельтье (Jean-Charles Peltier) решил посмотреть, что будет, если между двумя электродами поместить каплю воды и пустить электрический ток. Результат поразил ученого: вода превратилась в лед. Это явление стало известным под названием «эффект Пельтье». Вместе с эффектом Зеебека его относят к термоэлектрическим явлениям.
Как эффект Зеебека, так и эффект Пельтье наблюдаются, когда электрическая цепь состоит из двух разных материалов. Проявления эффектов обратны друг другу. При эффекте Зеебека от разницы температур возникает электрический ток. При эффекте Пельтье при пропускании тока меняется температура. Стоит уточнить, что, если поменять полярность тока, проводник будет не охлаждаться, а напротив разогреваться. Оба эффекта незначительно проявляются при контакте двух металлов, зато весьма заметны, если мы имеем дело с двумя полупроводниками.
Практическую пользу из двух столь замечательных явлений научились извлекать далеко не сразу. Но сейчас и эффект Пельтье, и эффект Зеебека находят активное применение в технике. Для охлаждения можно использовать «элементы Пельтье» (по-английски они называются thermoelectric cooler — термоэлектрический охладитель, TEC). Это две или несколько пар полупроводников, соединенных перемычками. При подсоединении к электрической сети, одна из сторон элемента Пельтье будет охлаждаться.
А как работает эффект Зеебека? Пожалуй, первенство в его практическом применении принадлежит отечественным физикам. Сделано это было во время войны учеными Физико-технического института под руководством А. Ф. Иоффе. Необходим был способ, позволяющий партизанам заряжать аккумуляторы радиопередатчиков. Конечно, партизанским отрядам поставляли новые батареи с помощью самолетов, но этим способом не всегда удавалось воспользоваться. Также были сделаны динамо-машины для подзарядки, которые работали от двигателя автомобиля или от усилий человека, но и они не решили проблемы.
Когда началась Великая Отечественная война физики Лениградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок». Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны. ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1».
После войны А. Ф. Иоффе и Ю. П. Маслаковец продолжили работы в области термоэлектричества. В 1950 году Иоффе написал работу «Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников», где изучил свойства полупроводниковых материалов, позволяющие достичь максимально возможного КПД термогенератора. Промышленность СССР выпускала различные типы генераторов, предназначенных для удаленных местностей, где нет доступа к электрической сети. Был, например, создан, термогенератор ТГК-3, закреплявшийся на стекле керосиновой лампы и позволявший питать радиоприемник.
ТГК-3 (1954 год)
Позднее, с развитием электроснабжения и доступностью дешевого топлива, необходимость в термоэлектрогенераторах снизилась. Но и сейчас они находят применение. В первую очередь это происходит там, где другие источники питания труднодоступны: в автоматических маяках и метеорологических станция, в устройствах катодной защиты на нефтепроводах.
Современным разработкам, использующим термоэлектрические эффекты, будет посвящена вторая часть нашего рассказа, которую вы сможете прочитать на следующей неделе.
