Металлы и человек
Шрифт:
Даже рискуя обеднить задуманную книгу о неметаллах и власти над ними человека, включил я короткие справки об этих элементах сюда, в рассказ о металлах.
Металл?.. Неметалл?.. Металл?. Неметалл?..
Селен — еще один элемент, название которого химики заимствовали у астрономов. Открывший его в 1817 году в отходах серной кислоты шведский ученый Берцелиус дал имя своему «крестнику» в честь Селены — так греки называли Луну. Селен относится к числу рассеянных элементов. По целому ряду своих свойств он очень напоминает серу. Подобно сере, он встречается в самородном состоянии. Вместе с тем известен и целый ряд минералов, образованных селеном. Он связан в них с медью, серебром, ртутью и т. д.
При обработке колчеданов селен концентрируется в отходах производства. Это один из основных источников его добычи. Кроме того, он содержится в шламе, скапливающемся на дне электролитических ванн при электролизе меди. Содержание селена в этом шламе может достигать 14 процентов. Это второй важный источник получения селена.
Селен, как и сера, имеет несколько модификаций. Если расплавленный селен (плавится он при температуре 214 градусов, а кипит при 685 градусах) медленно охлаждать, то получается отливка серо-черного цвета — так называемый серый или металлический селен. При быстром охлаждении образуется хрупкая серовато-свинцовая масса — стекловидный селен. При нагревании уже до 50 градусов он размягчается, как и всякое аморфное тело, не имеющее кристаллической структуры и определенной точки плавления. Однако при дальнейшем нагревании стекловидный селен кристаллизуется и переходит в серый селен.
Есть и еще одна модификация селена — рыхлый красный порошок, красный селен. Он получается при быстром охлаждении паров этого элемента.
Селен является типичным полупроводником.
Еще всего лет двадцать назад люди, связанные с электротехникой, считали полупроводники почти бросовым материалом. Проводники были очень нужны. Это провода, шины, контакты. Нужны были и изоляторы. Из них делали распределительные щитки, ими покрывали проволоку, из них изготовляли подвески для линий высокого напряжения. А полупроводники — их свойства проводить электрический ток отчетливо выражены названием — не годились ни на то, ни на другое.
Между тем полупроводники обладают многими замечательными свойствами. Они изменяют свою электропроводность под действием внешних причин. При охлаждении до температуры, близкой к температуре абсолютного нуля, они не только не становятся сверхпроводниками, но, наоборот, приобретают качества абсолютных изоляторов. Эти и другие свойства полупроводников привлекли к ним сейчас всеобщее внимание. На них возлагают большие надежды многие отрасли техники.
Полупроводниковые приборы начинают заменять радиолампы самых различных назначений. Такие приборы оказываются несравненно меньше радиоламп, к тому же при работе они потребляют значительно меньше энергии. И последнее: они работают практически вечно, тогда как радиолампы всегда имеют определенный гарантированный срок службы.
Ссылаясь на эти удивительные свойства, радиоинженеры обещают создать безотказно работающие радиоприемники массового пользования величиной со спичечную коробку и даже меньше, выпустить в продажу телевизоры, состоящие чуть ли не из одного экрана, плоские, как книга, — их можно будет вешать на стены. И, действительно, полупроводники позволяют осуществить все эти, казавшиеся недавно несбыточными, мечты.
В технике и промышленности широко применяются выпрямители электрического тока самых различных назначений. Но как они все неудобны! Они включают в себя или стремительно вращающиеся части, или огромные стеклянные баллоны, наполненные ртутью и ее парами. Обращение с ними должно быть очень деликатным, бережным.
И здесь на помощь пришли полупроводники.
Они не содержат ни движущихся частей, ни громоздких стеклянных баллонов. С волнением относятся к ним, в частности, инженеры и ученые, работающие над проблемой электрификации железнодорожного транспорта. Они считают, что именно полупроводниковые выпрямители позволят осуществить давнишнюю мечту — широко внедрить электрическую тягу на переменном токе.
Среди многих замечательных свойств полупроводников есть способность превращать в электрический ток тепловую энергию. Если соединить два полупроводника так, чтобы образовалась электрическая цепь, к одному спаю подвести тепло, а другой, наоборот, охладить, в цепи появится электрический ток. Он появляется и в цепях, соединенных из металлических проводников, но в данной будет в десятки и сотни раз больше. Настолько больше, что можно изготовлять и выпускать в широкую продажу бытовые термогенераторы, вырабатывающие электрический ток для питания сельских радиоприемников из тепла, выделяемого обычной настольной керосиновой лампой или керогазом.
В тридцатых годах прошлого века было обнаружено обратное явление: при прохождении тока в цепи из разных проводников в местах их контактов выделяется или поглощается тепло, контакты или нагреваются, или охлаждаются. В полупроводниковой цепи это явление столь интенсивно, что оказалось вполне возможным использовать его в домашних холодильниках.
Такие холодильники с охлаждающим механизмом из полупроводниковых элементов, сквозь которые проходит электрический ток, уже существуют. Они оказываются экономичнее, удобнее, долговечнее всяких других.
Но не о холодильниках главный разговор. Мы упомянули о них потому, что здесь нашло свое отражение явление, которое может быть использовано при разработке конструкций тепловых электростанций будущего.
Очень простой, значительно проще современной ТЭЦ, может получиться полупроводниковая теплоэлектростанция. Стенки ее топки покрывают спаями полупроводников. Жаркое пламя омывает выступающие внутрь спаи, на выходящие наружу «котла» обрушиваются потоки мелкой водяной пыли — для охлаждения. Ведь величина вырабатываем ого термоэлементом тока прямо пропорциональна именно разности температур нагреваемого и охлаждаемого спаев.
Такой представляется сегодня полупроводниковая теплоэлектростанция. Но пока это только мечта, смелая мечта инженеров и физиков. Промышленно пригодного, экономически выгодного прямого превращения тепловой энергии в электрическую мы еще не знаем. Только первые шаги делаются на этом пути. Максимально достигнутый коэффициент полезного действия полупроводникового термоэлемента равен 7 процентам— в четыре-пять раз ниже коэффициента полезного действия современной тепловой электростанции. Многое предстоит еще сделать нашим ученым, чтобы решить сложные вопросы, стоящие на пути к полупроводниковой электростанции.
Полупроводниковые термоэлементы могут быть применены и на других типах электростанций, использующих перепад температур, например на электростанциях, источником энергии у которых служит тепло земных недр.
Геофизики установили, что под струей теплого течения Гольфстрим над самым дном Атлантического океана есть устремленное к югу холодное течение. Можно себе представить полупроводниковую электростанцию, использующую перепад температур между этими течениями.
Вот во всех этих устройствах и принимает участие наряду с другими полупроводниками селен. Еще одно из замечательных свойств селена— способность резко изменять свою электропроводность в зависимости от освещения. На свету его электропроводность в тысячу раз выше, чем в темноте!