Преобразование тепловой энергии в электрическую в термоэлектронных преобразователях основано на явлении термоэлектронной эмиссии, т. е. на свойстве сильно нагретых металлов испускать со своей поверхности электроны.
Попробуем представить, хотя бы упрощенно, физическую сущность этого явления. Атом металла может быть представлен как положительно заряженное ядро, окруженное электронными оболочками, расположенными на различных расстояниях (энергетических уровнях) от ядра. Количество таких электронных оболочек и количество электронов на них у каждого металла свое. Переход электрона с одного энергетического уровня на другой (т. е. с одной оболочки на другую) связан с поглощением или испусканием частицы энергии.
При вращении электрона вокруг ядра атома на него действуют две основные силы: сила, стремящаяся оторвать его от ядра, и сила, притягивающая его к ядру атома.
Грубо действие этих сил можно представить себе следующим образом. Возьмем достаточно тяжелый шарик, привяжем к нему нитку и будем вращать его с определенной скоростью, но так, чтобы не оборвать нитку. В такой модели шарик будет изображать электрон, а держащий нитку кулак — ядро. Все будет идти нормально до тех пор, пока мы не начнем увеличивать скорость вращения шарика. Тогда в определенный момент действующие на шарик центробежные усилия превысят прочность нитки, она оборвется и шарик улетит.
Установлено, что кинетическая энергия электрона пропорциональна абсолютной температуре. Следовательно, если мы будем нагревать металл, то при определенной температуре сила, стремящаяся оторвать электрон от ядра, превысит силу притяжения и электрон покинет свою оболочку.
Рис. 1. Схема термоэлектронного преобразователя тепловой энергии в электрическую:
1 — катод; 2 — изоляторы; 3 — анод; 4 — нагрузка
Такой электрон может просто перейти на следующую оболочку, но если температура будет достаточно высока, то он покинет атом. Если атом будет находиться на поверхности, то электрон вылетит с поверхности нагреваемого металла. Таков в общих чертах механизм термоэлектронной эмиссии. Рассмотрим теперь схематическое устройство термоэлектронного, или, как иногда его называют, термоионного, преобразователя энергии.
Схема преобразователя показана на рис. 1. К катоду подводится тепло, и он нагревается до температуры Т1, обеспечивающей процесс термоэлектронной эмиссии. Для облегчения прохождения электронов между анодом и катодом создан вакуум. Электроны вылетают с поверхности катода и через разряженное пространство достигают анода, от которого отводится тепло, и он охлаждается до температуры Т2. Необходимость в охлаждении анода будет пояснена ниже. Материалы катода и анода должны быть соответствующим образом подобраны.
В результате такого процесса между анодом и катодом образуется разность потенциалов и по замкнутой внешней цепи через сопротивление R потечет ток.
Может возникнуть вопрос: является ли термоэлектронный преобразователь тепловой машиной? Попробуем в этом разобраться. Во-первых, термоэлектронная эмиссия не будет происходить без нагрева катода, т. е. без подвода тепла. Но для тепловой машины необходим также и отвод тепла. Отвод тепла должен производиться при температуре Т2, которая ниже температуры Т1.
Допустим, что Т2 = Т1. Тогда катод и анод будут находиться в равных температурных условиях и, следовательно, будут излучать равное количество электронов со своих поверхностей. Очевидно, что поток электронов от катода к аноду при этом не образуется и получить электроэнергию для полезной работы не удастся.
Теперь допустим, что температура анода будет меньше температуры катода, но охлаждать анод, т. е. отводить от него тепло, мы не будем. Тогда в первый момент между катодом и анодом пойдет поток электронов и во внешней цепи потечет ток, который может дать полезную работу. Но так будет только в первый момент.
Необходимо учитывать, что если для вылета электрона с поверхности металла необходимо затратить энергию, сообщить металлу тепло, то при попадании электрона в металл будет происходить выделение энергии или, попросту говоря, при попадании электрона в металл металл будет нагреваться. Поэтому анод, если его не охлаждать, быстро нагреется до температуры, практически равной температуре катода, и процесс перехода электронов от катода к аноду прекратится.
Исходя из этого можно сделать вывод, что для работы термоэлектронного преобразователя необходимо нагревать катод и охлаждать анод, т. е. такой преобразователь является тепловым аппаратом, подвластным законам термодинамики.
На работу термоэлектронного преобразователя в значительной мере влияет следующее обстоятельство. Между катодом и анодом при работе преобразователя будет все время находиться какое-то количество электронов, своего рода электронное облако, имеющее общий отрицательный заряд. Это явление, называемое пространственным зарядом, создает дополнительное препятствие на пути следования электрона от катода к аноду. В самом деле, электрон, имеющий с пространственным зарядом одинаковый знак, будет стремиться оттолкнуться от него и возвратиться снова к поверхности катода. Наличие пространственного заряда уменьшает количество электронов, которые достигают анода,
а это вызывает снижение напряжения между электродами и уменьшение тока во внешней цепи термоэлектронного преобразователя.
Таким образом, устранение или снижение вредного влияния пространственного заряда имеет очень важное значение для получения достаточно работоспособного термоэлектронного преобразователя.
Одним из наиболее действенных способов преодоления вредного влияния пространственного заряда является максимальное сближение катода и анода в преобразователе. Считается, что такое влияние практически незначительно, если расстояние между анодом и катодом не превышает сотых долей миллиметра. Однако получить такое расстояние на практике при наличии теплового расширения материалов весьма затруднительно. Ведь при этом температура катода должна достигать нескольких тысяч градусов, да и разница между температурой катода и анода должна быть по возможности наибольшей, так как от этого во многом зависит экономичность преобразователя.
Вторым способом служит нейтрализация пространственного заряда положительными ионами. Если в пространстве между анодом и катодом объемная концентрация положительных ионов будет равна концентрации электронов, то исчезнет и вредное влияние пространственного заряда. При этом необходимо учитывать, что электроны не будут соединяться с положительными зарядами, а те и другие будут существовать самостоятельно, передвигаясь с различными скоростями, тогда как суммарный заряд их будет равен нулю.
Одним из наиболее подходящих элементов для такого способа нейтрализации пространственного заряда является цезий. Пары цезия вводятся в пространство между электродами, где часть паров ионизируется в результате поверхностной ионизации, которая происходит следующим образом. При ударе атома цезия о горячую металлическую поверхность катода внешние электроны атома цезия могут оказаться прочно связанными с различными материалами, применяющимися для изготовления катода. Когда такой атом отскакивает от поверхности катода, он становится положительным ионом, так как связанные электроны остаются на катоде. Кроме того, скорость ионов цезия, имеющих значительную массу, невелика, благодаря чему обеспечивается хорошая нейтрализация пространственного заряда.
К недостаткам цезия следует отнести его высокую химическую активность. Под воздействием паров цезия разрушается спай стекла и металла, но хорошо противостоит разрушению в атмосфере паров цезия керамика из чистой окиси алюминия.
