Работает термоэлектричество

В 1821 году немецкий врач Томас Иоганн Зеебек, состоятельный человек, не утруждающий себя медицинской практикой, а отдающий время физическим опытам, случайно открыл удивительное явление. Он воспроизводил опыты Эрстеда и, размышляя о результатах, подумал: "Не мог ли магнетизм, возбуждаемый током, родиться из прямого соприкосновения двух разнородных металлов без помощи слоя жидкости между ними?" Эта мысль пришла в голову герру Зеебеку не без помощи описаний опытов Вольты. Он замкнул медную катушку мультипликатора висмутовым диском и заметил, что каждый раз, когда нажимает рукой на один из контактов, стрелка мультипликатора слегка отклоняется.

Опыт за опытом, серия за серией... Зеебек нажимал на контакты через мокрую бумагу, через стекло, нажимал короткое время, нажимал долго... В конце концов, он убедился, что эффект обусловлен нагреванием одного из контактов. И тогда он опубликовал результаты исследования, написав, "что теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов, является причиной магнетизма". Обратите внимание - "магнетизма", а не электричества. Исходя из этих соображений, Зеебек назвал открытое им явление "термомагнетизмом".

Эрстед и Фурье, повторившие в 1823 году опыты Зеебека, собрали столбик из нескольких пар контактов, произвели с помощью полученного тока электролиз и предложили назвать новое явление, открытое Зеебеком, "термоэлектричеством". Зеебек долго и упрямо спорил, возражая против такой замены. Но целесообразность предложенного была столь очевидной, что никто его не слушал. Термоэлементы получили широкое распространение, так как давали постоянную ЭДС.

Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов, сегодня это обычно - полупроводники, то получится термоэлектрический генератор. Как и МГД-генератор, он самым непосредственным путем преобразует тепловую энергию в электрическую, и его коэффициент полезного действия ограничивается вторым началом термодинамики.

Сегодня термоэлектрические генераторы находят некоторое применение в различных системах, но они маломощны и пока дороги, КПД их невелик.

Термоэмиссионные преобразователи. Основаны на явлении термоэлектронной эмиссии. Это явление заключается в том, что нагретые тела испускают в результате теплового возбуждения электроны в окружающее пространство. Явление термоэлектронной эмиссии можно рассматривать как испарение электронов из эмиттера. И на этом эффекте была основана работа электронных ламп - целой эпохи в развитии радиосвязи.

Термоэлектронные генераторы, или термоэлектронные преобразователи, работают так: в вакуум помещают два электрода. Один - эмиттер - подогревают, другой - коллектор - охлаждают. Если эмиттер с коллектором соединены внешней электрической цепью, то по ней потечет ток. Таким образом, ТЭГ или ТЭП также преобразуют непосредственно тепловую энергию в электрическую, минуя ступень механической энергии. И их КПД должен также ограничиваться вторым законом термодинамики.

К сожалению, пока еще не удалось получить термоэлектронные преобразователи с достаточно хорошими технико-экономическими показателями. Сейчас они применяются в маломощных автономных системах, хотя работы по улучшению их показателей ведутся во многих научных подразделениях мира с большой интенсивностью и высокими темпами.

Топливные элементы часто называют электрохимическими генераторами - ЭХГ. В них осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. Основными частями топливного элемента являются анод, катод, электролит и органы управления. А делятся они на высокотемпературные, средне- и низкотемпературные. Принцип их работы заключается в следующем: представьте себе, что реакция горения водорода в атмосфере кислорода разделена на два процесса; в одном из них участвует водород, в другом - кислород.

Эта идея возникла еще в прошлом веке. Все дело заключалось в создании подходящей конструкции. Водород, попадая на металлический электрод, переходит в атомарное состояние. При этом электроны, заряжая электрод отрицательно, уходят в металл, а ядра атомов- в раствор электролита. Примерно такой же процесс происходит и на втором электроде, на который подается кислород. Только здесь накапливается положительный заряд. В электролите возникают отрицательно заряженные ионы ОН. Соединяясь с ионами кислорода, они образуют воду, которая удаляется из элемента. Если оба электрода соединить внешней цепью, то по ней пойдет ток. ,

Сейчас пока лучше разработаны низкотемпературные топливные элементы низкого давления. Здесь имеется водородный контур, который состоит из криогенного баллона, испарителя, регулятора давления, насоса и конденсатора для воды. Из баллона жидкий водород поступает в испаритель-перегреватель, погруженный в электролит. Электролитный контур предназначен в основном для удаления тепла, выделяемого в топливных элементах. В кислородном контуре также есть криогенный баллон, испаритель, регулятор давления и насос. То есть все те же составляющие части, что и в водородном контуре. Испаритель-перегреватель погружен в электролит.

Одним из наиболее активных видов топлива для топливных элементов является в настоящее время гидразин, дающий в качестве единственного продукта реакции азот. К сожалению, он пока дорог и вдобавок ядовит. Тем не менее уже построены и испытываются двигатели для электротележек. А это начальный вариант рабочих моделей электромобилей. Правда, пока удельная мощность топливных элементов в три раза меньше но сравнению с бензиновыми двигателями. Но мы можем сказать: есть все основания считать этот путь создания электромобилей перспективным. Используются топливные элементы и в качестве небольших по мощности бортовых источников тока в космических аппаратах. Есть надежда, что при решении вопроса об использовании более дешевого топлива и окислителя, например, природного газа и воздуха, топливные элементы в дальнейшем найдут применение и в большой энергетике.