Глеб Анфилов - Что такое полупроводник

А вот более важное применение этого принципа автоматики.

По магистральному трубопроводу движется к городу горючий газ. Чтобы он поступал в наши квартиры без помех и задержек, нужно постоянно следить за газовым потоком в трубе и регулировать его. Надо знать, в частности, скорость невидимой струи.

Легче, проще и точнее всего такое измерение вести термисторами.

Установленные в трубе, они все время слегка подогреваются небольшим током, но в то же время остывают, отдавая тепло газу.

И чем быстрее движение газовой струи, тем сильнее охлаждается термистор — тепло как бы сдувается с прибора. Он «зябнет» и отзывается на это уменьшением силы тока.

Так можно измерить скорость газовых струй, чтобы затем автоматически управлять их движением.

Применяя системы из нескольких термосопротивлений, удается определить даже направление потоков газа. Невидимые вихри раскрывают свою сложную структуру, словно становятся зримыми.

{39}

Без минуты восемь часов. В огромном цехе-автомате металлообрабатывающего завода все готово, к началу трудового дня. Тысячи электродвигателей ждут включения, чтобы приняться за работу.

Дежурный инженер подходит к рубильнику и быстрым движением, поднимает вверх его трехпалую лапу.

Но не сразу загудели двигатели. Сперва завертелся ротор одного мотора, спустя несколько секунд к нему присоединился другой, потом третий, четвертый... Деловитый гул нарастает, разливается по цеху, и вот уже всё кругом в разумном, до мелочей рассчитанном движении.

Почему двигатели начали работать неодновременно?

Иначе нельзя. При одновременном их включении на полную мощность слишком резким было бы изменение нагрузки в сети. Да и сами моторы не могут рвануть «с места в карьер» — они должны раскручиваться постепенно.

Но почему они включились один за другим? Ведь рубильник-то был один на всех.

Здесь опять поработали полупроводники, введенные в систему распределения энергии между двигателями.

Электрический ток поступает в двигатель через термистор. В первый момент после включения рубильника температура полупроводника мала, и он плохо проводит ток. В электродвигатель поступает недостаточное количество энергии, вал его пока еще не вращается. Но под действием тока полупроводник постепенно разогревается, сопротивление его падает, соответственно растет и ток, который, в свою очередь, разогревает термистор и уменьшает его сопротивление.

И вот наконец ротор двигателя начинает вращаться. Теперь надобность в термосопротивлении отпала. Несложное приспособление автоматически отключает его.

Так же и со всеми остальными двигателями. Чтобы они  {40}  принимались за работу по очереди, термисторы на них устанавливают различные. И задержать включение двигателей они могут на разные промежутки времени: от долей секунды до нескольких минут.

Еще не так давно, когда термисторов не было, туго приходилось инженерам при решении подобных задач. Применяли сложные и капризные электронные реле времени. Иногда ставили даже различные часовые механизмы. Теперь все стало несравненно проще, дешевле, а главное — надежнее.

Много хлопот доставляет обслуживание доменной печи. Надо вовремя и строго по рецепту давать ей обильную «пищу» — шихту, надо тщательно следить за ее «дыханием»: количество, температура, влажность воздуха, вдуваемого в печь, должны быть строго постоянными.

На глазок, вручную при нынешних режимах чугунолитейного производства возле домны не поработаешь. Что стоит недосмотреть какую-нибудь мелочь! Скажем, солнце припекло, воздух стал чуть суше. Человек и не заметил — до того ли рядом с пышащей жаром махиной! А домна заметила. Сразу изменился «ход» печи, ухудшился чугун. Вот почему инженеры оснастили домну множеством автоматов. Человек может теперь вполне положиться на них.

Один из самых важных приборов домны — автоматический регулятор влажности дутья. Основой его может отлично служить термистор.

Термосопротивление, поставленное в потоке дутья, покрыто полоской ткани, которая все время искусственно увлажняется. Но ткань обдувается воздухом, и влага с нее испаряется — словно белье сохнет на ветру. Испарение всегда сопровождается охлаждением (вспомните, как на ветерке после купанья «мороз пробегает» по коже). Белье сохнет лучше в ясный день. Значит, если чуть суше  {41}  воздух дутья — сильнее испаряется влага с ткани. Но при этом ткань больше охлаждается и остужает термистор. Сразу уменьшается ток, текущий через прибор. Эту перемену тут же воспринимает механизм, который вводит в дутье добавочный водяной пар. Влажность воздуха автоматически поддерживается одинаковой.

Другие устройства регулируют, температуру дутья и его количество. Автоматы гарантируют домне спокойное, ровное «дыхание».

Можно без конца рассказывать о применениях термосопротивлений. Но, пожалуй, и без того понятно, как велика практическая важность этих несложных приборов,

Термисторы воплотили в себе только одно свойство полупроводников: резкую зависимость электропроводности от температуры. Но при нагревании полупроводников проявляется и другая их особенность — несколько более сложная, но чрезвычайно интересная и важная для технического прогресса. К ней мы сейчас и переходим.

{42}

{43}

Мы далеко от города — в таежном краю, в непроходимой лесной чаще.

Среди занесенных снегом могучих елей приютилось несколько приземистых избушек охотничьей фактории.

Зимний день короток. Рано загораются огоньки керосиновых ламп за морозными узорами окошек. С наступлением темноты совсем тихо, спокойно становится кругом. Тайга спит. Но люди бодрствуют, они живут, связанные незримыми нитями со всей страной.

Войдите в любой из домиков. Вы услышите перезвон курантов Спасской башни, голос прославленного ученого из столицы, музыку дальних стран. Радио! Оно особенно дорого в глуши, куда не дотянулись еще линии электропередач.

Приемник черпает энергию от электрических батарей. Когда они в порядке, комната полна звуками большого мира. Но случается — батареи подводят. Истощились они, и стало тихо, сиротливо. Еще совсем недавно это считалось неизбежностью. А теперь батарейный приемник может работать без батарей.  {45} 

Термоэлектрогенератор на керосиновой лампе.

Под потолком на цепочках висит странного вида керосиновая лампа. В верхней части ее — темная трубка. Она окружена большими металлическими пластинами — словно старинный воротник «жабо» надет на лампу. Из-под «воротника» тянется пара проводов к стоящему рядом приемнику «Родина».

Возвращается к вечеру домой охотник или лесник, зажигает лампу. В комнате светло. Проходит несколько минут, и приемник словно пробуждается. Освещается шкала настройки, набирает громкость голос далекого города.

Почему ожил приемник?

Раньше мы подробно говорили о двух видах полупроводников — электронном и дырочном. В первом при нагревании освобождаются электроны, во втором — появляются дырки.

Сделаем из каждого такого полупроводника по брусочку, поставим их рядом и припаяем сверху к их торцам металлическую пластину. Получилось нечто вроде буквы «П» — так называемая термопара, или термоэлемент. Теперь прижмем спаянные концы брусочков (верхнюю перекладину буквы) к чему-нибудь горячему, а свободные концы, наоборот, охладим.

Простейшая полупроводниковая термопара.

Справа — столбик электронного полупроводника, а слева — дырочного. В концах столбиков скапливаются освобожденные теплом электрические заряды. Так тепло преобразуется в электрическую энергию.

В нагретом конце электронного брусочка появятся  {46}  освобожденные нагреванием электроны. Они забегают, начнут сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец брусочка — туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но мы помним, что электроны — отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце брусочка появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд.

В горячем конце дырочного бруска возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Но, как вы помните, дырка ведет себя подобно частице, наделенной положительным электрическим зарядом. Значит, холодный конец дырочного брусочка термопары приобретает положительный заряд.