Юный техник, 2005 № 03

Журнал Юный техник

Между тем уже через год X.Эрстед и другие физики, повторив опыты Зеебека, пришли к выводу, что в них возникает электрический ток. И для его появления достаточно составить цепь из любых разнородных проводников, один из ее спаев подогревать, а другой охлаждать.

Несмотря на протесты автора, «термомагнетизм» переименовали в термоэлектричество.

Вы можете и сами проверить этот эффект при помощи школьного гальванометра. Достаточно лишь спаять и присоединить к прибору простейшую цепь из куска медной и железной

проволоки диаметром 2–3 мм. Если спай подогреть, то стрелка четко отклонится на несколько делений.

Опыт, конечно, прост. Однако стоит поставить себе задачу получить отклонение на всю шкалу, как он становится своего рода азартной игрой. Появится желание делать термопары из других материалов, соединять их в батареи (рис. 2).

Очень скоро вы обнаружите слабое звено во всех своих устройствах. Получаемый от них ток явно растет по мере увеличения температуры горячего спая, но оловянный припой, которым вы соединяете проводники, легко плавится, и цепь прекращает работу. Чтобы этого избежать, проводники необходимо спаивать припоями на основе меди или серебра.

О том, как это делается, мы расскажем ниже. А сейчас давайте еще немного истории. На тепловых электростанциях из топлива в каком-либо тепловом двигателе (паровой или газовой турбине, дизеле, бензиновом моторе) получается механическая работа. Двигатель, вращая генератор, вырабатывает электрический ток. Правда, получение его с помощью куска проволоки гораздо проще? Так что логично, что ученые давно уже пытаются создать электростанцию на основе термоэлектрического эффекта.

Так, в 1875 году французский изобретатель Ш.Кламон создал «термоэлектрическую печь» (рис. За, 3б).

Она содержала 6000 термоэлементов и развивала мощность 800 Вт при напряжении 218 В. Это позволяло питать 80 дуговых ламп — свечей Яблочкова, освещавших бульвары Парижа. Расход топлива составлял 10 кг угля в час. По сравнению с освещением при помощи газовых керосиновых фонарей такая система давала более чем десятикратную экономию средств. Но очень скоро электрический ток стали получать на электростанциях с паровыми машинами. Даже на первых порах они расходовали топлива на единицу мощности в десять, а потом и в 30–40 раз меньше и легко вытеснили термоэлектрогенераторы из области освещения.

Однако эти устройства отнюдь не исчезли. Низкий КПД прежних термоэлектрических генераторов объясняется несовершенством материалов, в качестве которых применялись металлы. Идеальный материал для этих целей должен обладать низким сопротивлением и как можно хуже проводить тепло. В этом отношении полупроводники намного превосходят металлы. На основе сернистого свинца, например, в нашей стране еще в 1940 году были созданы генераторы, имевшие КПД 3 %.

Сегодня КПД полупроводниковых термоэлектрогенераторов превышает 20 %. Но получение этих веществ достаточно сложно и пока оправдывается лишь в случае применения их для очень важных целей.

Сделать термогенератор можно и в домашних условиях. Полупроводниковые термоэлементы у вас, конечно, не получатся. Однако в современных условиях многое может дать и термоэлектрический генератор на основе металлов.

Чтобы осветить небольшую квартиру, вполне достаточно 8 — 10 современных экономичных ламп мощностью по 10 Вт. Каждая такая лампа дает столько же света, сколько давала одна свеча Яблочкова

такой же мощности или лампа накаливания мощностью 60 Вт.

Если для их работы взять энергию от печи Кламона, то ей хватило бы 1–1,5 кг угля в час. Из-за низкого КПД в ней только 1 % тепла сгоревшего топлива превратился бы в электричество. Но если оставшиеся 99 % тепла не выпускать в трубу, а использовать по хозяйству, их достаточно для получения 50 литров кипятка в час, хватит для обогрева помещения и приготовления пищи. Все это очень ценно в нашем холодном климате. А в летнее время избыток тепла можно направить в абсорбционные установки для получения холода. (Их устройство тема особого рассказа.) Однако работу над таким сложным устройством сразу начинать не стоит.

В некоторых странах выпускается термоэлектрический генератор, выполненный как насадка на керосиновую лампу (рис. 4).

Устройство это одновременно дает свет, тепло и питает радиоприемник. Низкий КПД превращения тепла в электроэнергию особого значения не имеет, поскольку все тепло здесь тратится только на пользу. Если учесть, что сегодня треть человечества живет при керосиновых лампах, то понятно, почему спрос на эти устройства стабилен.

Более полувека тому назад наши радиолюбители самостоятельно делали такие термоэлектрические генераторы для питания ламповых радиоприемников. Современные транзисторные приемники потребляют в десятки раз меньшую мощность. В рубрике ЗШР вы найдете схему очень экономичного радиоприемника, которую разработал наш постоянный автор, инженер Ю.Г. Прокопцев.

Термоэлектрический генератор для его питания мог бы работать от миниатюрной газовой горелки для пайки ювелирных изделий или даже от свечи. Наибольшее напряжение при нагревании развивают такие металлы, как цинк, сурьма, висмут в паре с медью. Однако достать их трудно. Наши радиолюбители в своих термоэлектрических генераторах применяли пару железо-никелин. Неплохо работали пары, содержащие мельхиор и нейзильбер — эти сплавы широко применяются для изготовления чайных ложек, а никелиновые спирали можно найти в перегоревших нагревательных элементах от старых электросамоваров.

Первым делом вам нужно, исходя из своих возможностей, подобрать самую эффективную термоэлектрическую пару. После этого можно приступать к изготовлению батареи. Ее нужно паять серебром, нагревая место спая газовой горелкой. В качестве припоя лучше всего взять советский полтинник 20-х годов. Его следует попилить напильником, а опилки собрать на бумагу. Частицы стали от напильника, которые сильно затрудняют пайку, следует удалить магнитом. В качестве флюса применяется насыщенный раствор буры. Место пайки должно быть зачищено.

Возьмите, например, полоску железа и кусок мельхиора шириной 2–3 мм, смажьте их флюсом, посыпьте припоем и положите на кафельную плитку. Спаиваемые детали прижмите друг к другу при помощи шила и начинайте греть докрасна. В определенный момент серебро расплавится и растечется по месту спайки. После этого удалите горелку, подуйте и бросьте изделие в раствор флюса. Вот и все — пайка закончена (рис. 5).

Необходимая для питания приемника Ю. Прокопцева батарея должна состоять примерно из 30 термоэлектрических пар и развивать напряжение 2,5–3 В. Все ее элементы должны быть соединены серебром. Холодные концы спаев следует снабдить ребрами охлаждения. Это небольшие медные пластинки. В силу высокой теплопроводности меди паять ее серебром очень трудно. Но это и не нужно. Поскольку спаи холодные, пластины можно припаять обычным оловянным припоем.