Большая Советская Энциклопедия (ТЕ)

Э. Я. Зандберг.

Рис. 1. Зависимость плотности тока j термоэлектронного тока от разности потенциалов V, приложенной между эмиттером и коллектором электронов (вольтамперная характеристика).

Рис. 2. Плотность термоэлектронного тока насыщения при различных температурах и работах выхода ej, определяемых по полному току термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронный преобразователь

Термоэлектро'нный преобразова'тель (генератор) энергии, то же, что термоэмиссионный преобразователь энергии . Действие Т. п. как плазменного источника электрической энергии основано на следующем процессе: с катода (поверхность горячего металла с большой работой выхода ) «испаряются» электроны, которые, пролетев межэлектродный промежуток, «конденсируются» на аноде (холодный металл с малой работой выхода); полезная работа во внешней цепи совершается за счёт остатка потенциальной энергии электронов.

Термоэлемент

Термоэлеме'нт, электрическая цепь (или часть цепи), составленная из разнородных проводников или полупроводников и позволяющая использовать в практических целях одно из термоэлектрических явлений .

Если места контактов Т. поддерживать при различных температурах, то в цепи возникает эдс (термоэдс), а при замыкании цепи — электрический ток. Это явление (Зеебека эффект ) используется преимущественно для измерения температур (то есть в термометрии ) либо др. физических величин, измерение которых может быть сведено к измерению температур: давления газа, скорости потока жидкости или газа, влажности, потока лучистой энергии (см. Приёмники излучения , Приёмники света ), силы переменного тока промышленной частоты (см. Термоэлектрический прибор ), токов радиочастоты и др. (во всех этих случаях Т. служит тепловым измерительным преобразователем ). Обычно Т., предназначенные для измерительной техники, называются термопарами . Полупроводниковые Т., действующие на основе эффекта Зеебека, используются также для создания термоэлектрических генераторов , преобразующих тепловую энергию (сжигаемого топлива, радиоактивного распада или солнечной радиация) в электрическую.

Если через Т. пропускать ток от постороннего источника, то на одном из его контактов происходит поглощение, а на другом — выделение тепла. На этом явлении (Пельтье эффекте ) основан принцип работы холодильников, кондиционеров и термостатов термоэлектрического типа, которые находят применение в быту, радиоэлектронике, медицине, электротехнике и др. областях.

Лит.: Иоффе А. Ф., Полупроводниковые термоэлементы, М.— Л., 1956; Бурштейн А. И., Физические основы расчёта полупроводниковых термоэлектрических устройств, М., 1962; Коленко Е. А., Термоэлектрические охлаждающие приборы, 2 изд., Л., 1967; Иорданишвили Е. К., Термоэлектрические источники питания, М., 1968; Методы измерения характеристик термоэлектрических материалов и преобразователей, М., 1974.

Л. С. Стильбанс.

Термоэмиссионный преобразователь энергии

Термоэмиссио'нный преобразова'тель эне'ргии (ТЭП), термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии, устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии . Простейший ТЭП состоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора, изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумным промежутком (рис. 1 ). К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство (несколько десятых долей мм ), попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (который получает тепло от достигающих его электронов), то во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и таким образом совершаться работа. Так как ТЭП представляет собой по существу тепловую машину, рабочим телом которой служит «электронный газ» (электроны «испаряются» с эмиттера — нагревателя и «конденсируются» на коллекторе — холодильнике), то кпд ТЭП не может превосходить кпд Карно цикла .

Напряжение, развиваемое ТЭП (0,5— 1 в ), — порядка контактной разности потенциалов , но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродном зазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах (рис. 2 ). Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью эмиттера и может достигать нескольких десятков а 1 см² поверхности. Для получения оптимальных величин работы выхода эмиттера (2,5—2,8 эв ) и коллектора (1,0—1,7 эв ) и для компенсации объёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор между ними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как на горячем катоде (поверхностная ионизация ), так и в межэлектродном объёме (вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих — ионизируется). В последнем случае ТЭП работает в так называемое дуговом режиме — наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭП температурах электродов (1700—2000 К на катоде и 800—1100 К на аноде) их удельная мощность (в расчёте на 1 см² поверхности катода) достигает десятков вт, а кпд может превышать 20%.

По роду источника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные и газопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результате реакции ядерного деления (в реакторных ТЭП) или распада радиоактивного изотопа (в радиоизотопных). В 1970 в СССР создан первый в мире термоэмиссионный преобразователь-реактор «Топаз» электрической мощностью около 10 квт . В солнечных ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением гелиоконцентраторов ). Газопламенные ТЭП работают на тепле, выделяющемся при сжигании органического топлива.

Важные преимущества ТЭП по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями — отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокая надёжность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания. В настоящее время (середина 70-х гг.) достигнут ресурс непрерывной работы одиночного ТЭП свыше 40000 ч. Перспективно использование ТЭП в качестве высокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, например, в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при более низких температурах. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивные работы по созданию ТЭП, пригодных для массового промышленного использования.

Лит.: Елисеев В. Б., Пятницкий А. П., Сергеев Д. И., Термоэмиссионные преобразователи энергии, М., 1970; Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма, М., 1973; Технология термоэмиссионных преобразователей. Справочник, под ред. С. В. Рябикова, М., 1974.

Н. С. Лидоренко.

Рис. 2. Распределение потенциальной энергии электронов в межэлектродном зазоре при недостаточной концентрации ионов цезия (1), в условиях компенсации объёмного заряда (2) и в дуговом режиме (3): УФК и УФА — уровни Ферми катода (эмиттера) и анода (коллектора); E — энергия; E_К и E_А — работа выхода катода и анода; DV₃ , DV_пр и V — падение напряжения соответственно на межэлектродном зазоре, на коммутационных приводах и во внешней цепи; е — заряд электрона; d — межэлектродное расстояние.

Рис. 1. Схема термоэмиссионного преобразователя: К — катод, или эмиттер; А — анод, или коллектор; R — внешняя нагрузка; Q_К — тепло, подводимое к катоду; Q_А — тепло, отводимое от анода; 1 — атомы цезия; 2 — ионы цезия; 3 — электроны.

Термоэрозия

Термоэро'зия, сочетание теплового и механического воздействия текущей воды на мёрзлые горные породы и лёд. Начальная стадия Т. мёрзлых горных пород обычно предопределяется вытаиванием содержащихся в них ледяных жил, вследствие чего на дневной поверхности возникает полигональная сеть эрозионных канав. Эти канавы при наличии естественного уклона поверхности становятся путями стока талых вод и дождевых осадков, в свою очередь оказывающих дальнейшее тепловое и эродирующее воздействие на мёрзлые породы.

Термоядерные реакции

Термоя'дерные реа'кции, ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 10⁷ К и выше). Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.