Томас Иоганн Зеебек

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.

Юрий Петрович Маслаковец

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.

Термоэлектрогенератор ТГ-1

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.

Балерину видали? Она вертится, аж в глазах рябит. Тьфу!
Привяжи к ноге динаму! Пусть она ток даёт в недоразвитые районы!
(А. Райкин)
Хотел написать про то, как предлагают ученые заряжать девайся в условиях экспедиций, оходов от специальных печек, преобразующих тепло в электро энергию. Вот к примеру BioLite CampStove. Компактная, весом всего 1 кг и легко умещается в рюкзак. Цена 129$

Потом вспомнил про термофор и его печь Индигирку, выдающую мощность 60Вт при напряге 12 вольт.

Потом нашлось еще
Hatsuden-Nabe от японской TES NewEnergyCorporation. Это кастрюля с USB портом, и она может преобразововать тепло, которое было бы потрачено зря, в питание для зарядки телефона (или любых других USB гаджетов.

и еще, и еще, и...
начал копать дальше и вот вам небольшая история о том, как полезно в наше время "переоткрывать" открытия.

Подлинным возрождением термоэлектричества и термоэнергетики можно считать начало 30-х годов XX столетия, а его инициатором – академика А.И.Иоффе. Он выдвинул идею о том, что с помощью полупроводников можно сделать реальный шаг на пути превращения тепловой (в том числе солнечной) энергии в электрическую. Это привело к созданию уже в 1940 году фотоэлемента для преобразования световой энергии в электрическую.

Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А.И.Иоффе. Это был, ныне широко известный, «партизанский котелок» – термопреобразователь на основе термоэлементов из SbZn и константана. Разность температур спаев в 250-300оС обеспечивалась огнем костра при стабилизации температуры холодных спаев кипящей водой. Такое устройство, несмотря на сравнительно невысокий КПД (1,5-2,0 %), с успехом обеспечивало электропитанием ряд портативных партизанских радиостанций. «Партизанский котелок», так же как и другой аналогичный прибор - «чайник», развивал электрическую мощность около 10 ватт.
Примерно тех же времен вот этот весьма занимательный девайс. На обычную керосиновую лампу устанавливался адаптер, который позволял запитать радиоприемник, как на фото или лампочку Ильича.

Когда-то "широко известный, «партизанский котелок»" теперь неизвестен практически никому, как и академик А.И. Иоффе. Понятно, что в середине прошлого века энергетика развивалась столь бурно, что казалось еще чуть чуть и план электрификации всей страны приведет тому, что розетку можно будет найти и в лесу дремучем.

К сожалении страна уже неторт, плана нет и незаслуженно забытая практически целая отрасль вновь находит свою нишу. Непонятно к чему эти крики про "изобрели", "инновации" и т.д.?

Большую роль для развития физической науки сыграл тот факт, что Иоффе нашёл решение проблемы использования теплоэлектрических и термоэлектрических качеств полупроводников. Это явление активно применялось в опытах и позволяло преобразовывать световую и тепловую энергию в электрическую. Абрам Фёдорович приложил руку и к разработке теории термоэлектрогенераторов и того же рода холодильников.

Сделано это было во время войны. 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.

Термоэлектрогенератор ТГ-1

Когда началась Великая Отечественная война физики Ленинградского 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.

В годы войны А.Ф.Иоффе участвовал в строительстве радиолокационных установок в Ленинграде, во время эвакуации в Казани был председателем Военно- морской и Военно- инженерной комиссий. Максимальное приближение к практике результатов, достигнутых в фундаментальных областях знания, широчайшее распространение этих знаний - таким было стремление А.Ф.Иоффе. Особенно яркой была инициатива Иоффе в создании знаменитой Лаборатории № 2 (будущего Института атомной энергии, а ныне Курчатовского центра), где в годы войны начались работы по созданию ядерного оружия. Не менее важным стало и предложение А.Ф.Иоффе поставить во главе этих исследований одного из своих учеников - И.В.Курчатова.

В декабре 1950 года, во время кампании по «борьбе с космополитизмом», А.Ф.Иоффе был снят с поста директора и выведен из состава ученого совета института. В 1952 -1955 годах возглавлял лабораторию полупроводников АН СССР. В 1954 году на основе лаборатории организован Институт полупроводников АН СССР, которым академик Иоффе руководил до конца своей жизни.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 28 октября 1955 года Иоффе Абраму Фёдоровичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот».