Еще раз от автора
Сижу я в кабинете Ивана Петровича Курочкина. Он только что закончил чтение рукописи вот этой книги. От кого же, как не от рассказчика и живого участника всех описанных событий, получить отзыв, совет, помощь!
— Вот вы, писатели, — назидательно говорит Иван Петрович, — часто любите пользоваться, как говорится, «художественным вымыслом». А мы, научные работники, этого не любим. У нас достоверность и точность — прежде всего! Вот почему я считаю, что вашу книгу, написанную по моему рассказу, приятно будет держать в руках. В каждую ее строчку можно сразу поверить.
— Еще бы! Вот мой сынишка, — с гордостью заявляю я, — настолько поверил, что уже притащил откуда-то чуть поржавевшую самоварную трубу и готовится строить термобатарею для велосипеда.
Признаться, я ждал, что Иван Петрович обрадуется и тут же похвалит несомненные способности моего сына. Но получилось наоборот. Иван Петрович вдруг смутился, заерзал в кресле, а потом глубоко вздохнул.
— Говорите, трубу уже притащил? Термобатарею для велосипеда строить хочет? — задумчиво переспросил он.
— Да вот намеревается…
— Тогда позвольте, позвольте… — забеспокоился Иван Петрович, — этого как раз я не учел. Видите ли; в чем дело, — продолжал Иван Петрович, еще более смущаясь. — Термоавтомобиль мы действительно строили. Сосновые шишки в самодельной термобатарее в самом деле разжигали. И дым из самоварной трубы валил изрядный, это верно… А вот насчет того, что мы запросто ездили на своей машине по парку, — так тут уж простите… Видите ли… когда рассказывал, то, представьте себе, увлекся и допустил… ради интереса, конечно… небольшой художественный вымысел… Наша машина двигалась иногда! Но не быстрее черепахи. Вот с горки — тогда быстрее, конечно… Так что зачем ребятам строить такую?
Наступило молчание.
— Но все равно польза от нашей затеи была большая, — продолжал знаменитый конструктор. — Мы многому тогда научились, привыкли обращаться с инструментами, узнали, какое упорство необходимо изобретателям… А что еще можно требовать от ребят этого возраста, увлеченных какой-либо технической идеей? Настоящего изобретения? Нет! Достаточно того, что они готовятся стать настоящими изобретателями в будущем… Припишите, пожалуйста, это в конце вашей книги! — потребовал Иван Петрович.
И я приписал, как видите. А что мне оставалось делать? Всем ребятам из нашего дома, из двух соседних и того, что напротив, через улицу, хорошо известно, что раз Иван Петрович что-либо просит, так, значит, это нужно сделать и никаких разговоров быть не может…
Послесловие
Книжка, которую вы, ребята, прочли, рассказала о событиях, случившихся лет тридцать назад. За это время пытливые и любознательные герои книги кончили учебу, стали взрослыми и уже по-настоящему, всерьез занимаются каждый своим любимым делом. Одни из них работают в научно-исследовательских институтах, другие, возможно, преподают в школах, третьи трудятся на заводах, но все они, я уверен, сохранили любовь к науке, к новому, сами стали творцами этого нового.
Совершенствовалась и достигла больших успехов и наука о термоэлектричестве — интересном физическом явлении, которое так сильно увлекло героев этой книги. Об успехах этого раздела физики я и хочу вам рассказать.
Начать придется издалека.
Давно ли термоэлектричество стало приносить пользу людям? Ведь иной читатель, зная, что на улицах и дорогах нет пока термоавтомобилей, может подумать, что термоэлектричество еще не получило путевку в жизнь, не стало помощником человека. Такое мнение, конечно, ошибочно.
Возникновение тока при нагревании спая двух разнородных металлов — термоэлектричество — было открыто в 1821 году немецким ученым Зеебеком. Об электричестве тогда знали очень мало. И сам Зеебек, видя, как отклоняется расположенная поблизости от термопары магнитная стрелка, считал, что теплота переходит не в электрическую энергию, а непосредственно в магнитную. Позднее французский ученый Пельтье доказал, что в термопаре возникает постоянный ток, магнитное поле которого и воздействует на магнитную стрелку.
Ахиллесова пята термоэлектрогенераторов — низкий коэффициент полезного действия. Поэтому интерес к ним ослабел, как только появились электродинамические генераторы гона. В них ток возникал при вращении системы проводников в магнитном поле, то есть использовалось явление электромагнитной индукции. Преимущества электродинамических генераторов видны из расчета, произведенного в 1922 году. Расчет показал, что выработка электричества при помощи газовых термоэлектрогенераторов в 37 раз дороже обычного способа его получения.
Несмотря на это, термоэлектричеством продолжали заниматься. Этого требовали новые отрасли науки и техники.
Если полистать журналы, вышедшие лет тридцать пять назад, то можно найти любопытные сообщения. Так, в 1928 году было помещено описание термоэлектрического генератора, который использовался как источник питания для радиоприемников в неэлектрифицированных местностях. В генераторе применялись железо-никелевые термопары, разогреваемые теплом керосиновой лампы. Позднее были созданы термоэлектрогенераторы, работающие на высококачественном бензине. Такие генераторы применялись во время второй мировой войны в качестве бесшумных и компактных источников питания переносной радиоаппаратуры, одновременно они использовались для приготовления пищи и обогревали помещения. Советские ученые под руководством академика А.Ф. Иоффе создали термогенераторы, которые принесли немалую пользу партизанам.
И это не единственное применение термоэлектричества в радиотехнике. Термопары давно уже используются для измерения высокочастотных токов. Термоамперметр, который служит для этой цели, очень прост. Измеряемый ток пропускается по короткому прямому проводнику. Проводник нагревается тем сильнее, чем больше величина тока. Рядом расположен спай термопары, который нагревается вместе с проводником. По величине тока в цепи термопары и судят о силе высокочастотного тока, проходящего по проводнику-подогревателю.
Замечательные свойства термоэлементов позволили приспособить их для измерения температур от самых низких до многих тысяч градусов. Для этого спай разнородных металлов помещают туда, где нужно измерить температуру, а к холодным концам термопары присоединяют измерительный прибор. Чем выше измеряемая температура, тем больший ток течет через прибор, шкала которого градуируется непосредственно в градусах.
Созданы термоэлектрические приборы, которые успешно измеряют температуру… звезд. Поймав этими приборами свет звезды, и измерив возникший в термопаре ток, ученые производят сложные математические вычисления и определяют температуру звезды. Впервые этим способом удалось измерить температуру шестнадцати звезд в 1922 году. По такому же принципу работают приборы для определения энергии солнечных лучей. Знать, какую энергию приносят солнечные лучи в той или иной местности в разные времена года, очень важно. Термоэлектрические приборы — актинометры — позволяют ученым определять лучистую энергию Солнца в любом месте земного шара.
Можно было бы продолжить рассказ о применениях термоэлектричества, но и сказанного достаточно, для того чтобы оценить его роль в современной науке и технике. Но пытливая мысль ученых не может стоять на месте, она неутомимо работает над совершенствованием созданного, над раскрытием еще не разгаданных тайн того или иного физического явления.
Новый этап в изучении и освоении термоэлектричества начался после того, как стали применять в качестве материала для термоэлементов полупроводники. На первый взгляд такой выбор может показаться странным. Ведь для возникновения термоэлектрического тока нужны свободные заряды, которых много в металлах. При нагревании спая двух разнородных металлов свободные электроны в нагретом конце проводника начинают двигаться интенсивнее, быстрее. Поэтому они часто попадают в менее нагретую часть проводника. Сталкиваясь со своими менее нагретыми собратьями, они отдают им часть своей энергии — значит, начинают двигаться более медленно. Уменьшение подвижности не дает возможности этим электронам вернуться обратно в нагретый конец проводника. «Застрявшие» в холодной части электроны создают в ней отрицательный заряд, ведь их там оказалось избыточное количество. Нагретая часть проводника, откуда ушли электроны, приобрела противоположный, то есть положительный заряд.
Вы, конечно, помните, что в термопаре нагреваются концы двух разнородных металлов, спаянных воедино. А у разных металлов из нагретого в холодный конец уходит неодинаковое число электронов. Следовательно, холодные концы термопары приобретают разные электрические заряды. Стоит соединить их проводником — в цепи возникает движение электронов от того конца, где их больше, к концу, где их меньше. Иными словами, в цепи термопары появится ток. Он будет тем сильнее, чем больше разность температур горячего и холодного концов.
Полупроводники отличаются от проводников, например металлов, тем, что при обычной температуре они почти не проводят электрического тока. Но стоит их нагреть до нескольких сотен градусов, они становятся хорошими проводниками.
В чем здесь дело?
При низкой температуре электроны атомов полупроводника не имеют свободы, они связаны с ядрами атомов и перемещаться, образовывать ток не могут. Чтобы электрон оторвался от атома, нужно постороннее воздействие, как бы толчок. Такие «толчки» возникают при нагревании полупроводника, когда увеличиваются колебания атомов. Таким образом, повышение температуры полупроводника создает в нем армию зарядов, превращает его в проводящее тело.
Любое вещество, каким бы способом его ни получали, всегда содержит то или иное количество примесей. Это относится и к полупроводникам. В них примеси при образовании тока играют огромную роль.
Наиболее ценные в современной технике полупроводники — это германий и кремний. Если они содержат примесь мышьяка или сурьмы, то в них образуется избыток электронов, способных при нагреве переходить в холодный конец полупроводника. Но стоит в полупроводник добавить индий или галлий — физический процесс будет протекать иначе. Атомы примеси начнут притягивать к себе, захватывать освободившиеся электроны. Такая «охота» за электронами интенсивнее идет в горячем конце полупроводника. Значит, там появится много атомов полупроводника, отдавших свои электроны атомам примеси. На освободившиеся места начинают переходить электроны из холодного конца полупроводника. А это значит, что холодный конец, откуда ушли электроны, оказывается заряженным не отрицательным электричеством, как в случае с металлами, а положительным.