Что такое полупроводник - Анфилов Глеб Борисович (читать книги онлайн полностью без регистрации TXT) 📗
Ученые до этого провели опыты с обыкновенными земными лучами — теми, что испускает любой раскаленный предмет. Проходя сквозь призму, они тоже растягивались в полоску-спектр. И лучи, которые тело испускало при различных температурах, давали различные спектры. Накаляли тело до 1000 градусов — больше всего лучистой энергии получалось в красной части спектра; нагревали до 2000 градусов — в красной части энергии становилось поменьше, зато прибавлялось в желтой; доводили температуру до 3000 градусов — появлялся избыток энергии в голубой части спектра, и так далее. Много таких опытов провели физики и в конце концов открыли закон распределения энергии в спектре в зависимости от температуры.
Закон известен, и над солнечным спектром долго ломать голову не пришлось. Оказалось, на его родине — на поверхности Солнца — температура +6000 градусов Цельсия.
Вы спросите: а причем здесь герои книжки — полупроводники?
Вопрос резонный.
Оказывается, удобнее и точнее всего оценивать энергию разных частей спектра специальным полупроводниковым термистором.
{36}
ЧУДЕСНЫЙ БОЛОМЕТР
Миниатюрное термосопротивление, выполненное в виде тонкой пластинки, выкрасили в глубокий черный цвет. Потом термистор заключили в стеклянный баллончик и удалили оттуда воздух, чтобы прибору не мешала внешняя среда. Получился так называемый болометр. Вся падающая на пластинку лучистая энергия поглощается черным красителем. При этом она превращается в тепло и нагревает термистор.
Материал для термистора подобран с таким расчетом, чтобы самые небольшие перемены температуры заметно меняли его электропроводность. Это дает возможность измерять полупроводниковым болометром ничтожные дозы лучистой энергии. Им можно, в частности, регистрировать количество лучистой энергии в разных частях спектра.
Откройте заслонку печи и выпустите оттуда луч. Исследовав его спектр болометром, вы сможете определить, в каком месте сосредоточено там больше всего энергии. А по этим данным вы узнаете температуру с точностью, в которую трудно поверить, — до стотысячных долей градуса!
Конечно, установка прибора, расчеты — довольно кропотливое занятие. Но все эти действия поддаются механизации.
Теперь поставим другую задачу: измерить на расстоянии температуру темного, несветящегося нагретого предмета.
Неужели и это возможно?
На проволочной подставке — чугунный утюг. Горячий он или холодный? По виду не отличишь. Значит, надо прикоснуться? Необязательно. Поднесите поближе ладонь, и вы почувствуете, как из металла струится тепло. Может быть, нагретый воздух омывает руку? Нет, воздух здесь пи при чем. Повторив опыт в пустоте, вы тоже ощутите {37} тепло. Оказывается, это та же лучистая энергия, испускаемая любым нагретым телом. Только здесь лучи невидимые. Их называют в физике инфракрасными. Они, как и световые, способны преломляться в призмах, образуя полоски спектра (уже невидимого). И спектр этот для разных температур также различен. Полупроводниковым болометром инфракрасный спектр удается исследовать не хуже, чем видимый. Значит, температуру утюга можно определить на расстоянии.
Инфракрасные лучи струятся и из просто теплых предметов. Их источником, в частности, служит наша кожа. Выходит, температура тела человека тоже доступна измерению на расстоянии? Нет. Пока это не удается — возникает масса технических трудностей. Но никто не сказал, что путь закрыт. Быть может, недалеко время, когда появится медицинский дистанционный полупроводниковый электротермометр. Не тревожа больного, врач будет на расстоянии узнавать его температуру.
Полупроводниковый болометр необычайно чувствителен. Это особенно ясно видно на примерах простой регистрации тепловых лучей (без измерения температуры). Поместив такой прибор в фокусе вогнутого параболического зеркала, вы сможете уловить издалека малейшее ненормальное нагревание в работающей машине. Прибор без труда зарегистрирует тепло пролетающей птицы; на расстоянии в несколько километров он обнаружит горящую папиросу.
Был сделан такой опыт. Невидимый инфракрасный луч послали с Земли к Луне. Отразившись от лунной поверхности, он вернулся и был уловлен полупроводниковым болометром.
Мы убедились, насколько широк диапазон применения термосопротивлений — уловителей тепла и измерителей температуры: от медицины до металлургии, от глубоких земных недр до поднебесья, даже до самой Луны.
Но только ли термометрами могут быть термисторы?
{38}
СИЛА ДУНОВЕНИЯ
Дуновением мы гасим свечу. Оказывается, тем же способом можно и включить свет.
В Московском Политехническом музее демонстрируется любопытный автомат-игрушка. Перед вами крошечный термистор. Стоит слегка дунуть на него — и сбоку загорается лампочка.
Загорается и вскоре гаснет. Что произошло?
От дуновения чуть-чуть изменилась температура и, следовательно, электропроводность полупроводника. Ток, текущий через прибор, увеличился и включил реле, зажигающее лампочку. Таково простейшее автоматическое реле на термисторе.
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}
ОЧЕРЕДЬ ДВИГАТЕЛЕЙ
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.
