Тактильная чувствительность 80 страница

[ris]
где а температурный коэфф. ф в рассматриваемом интервале темп-р Д Т. В этом случае формула (1) может быть написана в виде:
[ris]

где Ар = А (1- r) ехр (-еа/fe ) наз. р ичардсоновской постоянной эмиттера (однородного по отношению к работе выхода ); еф_р = ф (Т „ ) -- К Т О! еф₀ наз. ричардсоновской работой выхода. T. к. в интервале темп-р от Т = 0 до Т = Т ₀ a не сохраняет постоянной величины, то ричардсоновская работа выхода отличается от истинной работы выхода электронов при темп-ре Т=ОК. Величины Ар и еф_р находят по прямолинейным графикам зависимости: ln (j₀/T²)= f(1/T) =(графикам Ричардсона ). У примесных полупроводников зависимость ф(Т) более сложная, и формула для j_a отличается от (2 ).

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 еср, определяемых по полному току термоэлектронной эмиссии.

Чтобы исключить входящие в формулу (1) неизвестные для большинства эмиттеров величины Лиг, зависящие не только от материала эмиттера, но и от состояния его поверхности (определяются экспериментально ), формулу приводят к виду:
[ris]

Работа выхода ефпт(Т) мало отличается по величине от истинной работы выхода эмиттера etf(T), но легко определяется по измеренным величинам j, и Т; её наз. работой выхода по полному току эмиссии. Величина еф_П1 (Т) является единственной характеристикой термоэмиссионных свойств эмиттера, и её знания достаточно для нахождения j_a (Т) (рис. 2 ).

Однородными по ф эмиттерами являются грани идеальных монокристаллов как чистые, так и покрытые однородными плёнками др. вещества. Большинство употребляемых в практике эмиттеров не однородны, а состоят из " пятен" с различными ф (эмиттеры поликристаллич. строения; со структурными дефектами; двухфазные плёночные и др. ). Контактные разности потенциалов между пятнами приводят к появлению над эмиттирующей поверхностью контактных полей пятен. Эти поля создают дополнит, барьеры для эмиссии электронов с пятен, где работа выхода меньше, чем средняя по поверхности, и вызывают аномальный эффект Шотки. Для описания Т. э. неоднородных эмиттеров в формулу (1 ) вводят усреднённые эмиссионные характеристики.

Для получения токов больших плотностей, постоянных во времени, требуются эмиттеры с малыми ф и с большими теплотами испарения материала; в ряде случаев к термоэлектронным эмиттерам предъявляются спец. требования (химич. пассивность, коррозионная стойкость и др.). Высокой термоэмиссионной способностью обладают т. н. эффективные катоды (оксиднобариевые, оксидноториевые, гексабориды щелочноземельных и редкоземельных металлов и др.) и нек-рые металлоплёночные катоды (напр., тугоплавкие металлы с плёнкой щелочных, щёлочноземельных и редкоземельных металлов ). Т. э. лежит в основе действия многих электровакуумных и газоразрядных приборов и устройств.

Лит.: Р е и м а н А. Л., Термоионная эмиссия, пер. с англ., М.- Л., 1940; Г апонов В. И., Электроника, т. 1, М., 1960; Добрецов Л. H., Г о м о ю н ов а М. В., Эмиссионная электроника, М. 1966; Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника, пер. с нем., т. 1 М., 1971; X е р и н г К., H и к о л ь с М. Термоэлектронная эмиссия, пер. с англ., М. 1950; 3 а н д б е р г Э. Я., И он о в H. И. Поверхностная ионизация, М., 1969; Ф ом е н к о В. С.. Эмиссионные свойства материалов, К., 1970. Э. Я. Зандберг.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (генератор ) энергии, го же, что термоэмиссионный преобразователь энергии. Действие Т. п. как плазменного источника электрич. энергии основано на след, процессе: с катода (поверхность горячего металла с большой работой выхода) " испаряются" электроны, к-рые, пролетев межэлектродный промежуток, " конденсируются" на аноде (холодный металл с малой работой выхода ); полезная работа во внеш. цепи совершается за счёт остатка потенциальной энергии электронов.

ТЕРМОЭЛЕМЕНТ, электрическая цепь (или часть цепи ), составленная из разнородных проводников или полупроводников и позволяющая использовать в практич. целях одно из термоэлектрических явлений.

Если места контактов Т. поддерживать при различных темп-рах, то в цепи возникает эдс (термоэдс ), а при замыкании цепи - электрич. ток. Это явление (Зеебека эффект) используется преим. для измерения темп-р (т. е. в термометрии) либо др. физ. величин, измерение к-рых может быть сведено к измерению темп-р: давления газа, скорости потока жидкости или газа, влажности, потока лучистой энергии (см. Приёмники излучения, Приёмники света), силы переменного тока пром. частоты (см. Термоэлектрический прибор), токов радиочастоты и др. (во всех этих случаях Т. служит тепловым измерительным преобразователем). Обычно Т., предназначенные для измерит, техники, наз. термопарами. Полупроводниковые Т., действующие на основе эффекта Зеебека, используются также для создания термоэлектрических генераторов, преобразующих тепловую энергию (сжигаемого топлива, радиоактивного распада или солнечной радиации ) 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 (Пелътье эффекте) основан принцип работы холодильников, кондиционеров и термостатов термоэлектрич. типа, к-рые 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; КоленкоЕ.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. Стилъбанс.

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ (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 (неск. десятых долей мм), попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицат. зарядов и увеличивая его отрицат. потенциал. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (к-рый получает тепло от достигающих его электронов ), то во внеш. цепи будет поддерживаться электрич. ток и т. о. совершаться работа. Так как ТЭП представляет собой по существу тепловую машину, рабочим телом к-рой 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 коммутац. проводах (рис. 2). Макс, плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью эмиттера и может достигать неск. десятков а с 1 с м ² 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. Положит, 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 к-рой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих - ионизируется ). В последнем случае ТЭП работает в т. н. дуговом режиме - наиболее употребительном. При используемых в совр. ТЭП темп-рах электродов (1700-2000 К на катоде и 800-1100 К на аноде ) их удельная мощность (в расчёте на 1 с м ² 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" электрич. мощностью ок. 10 кет. В солнечных ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением гелиоконцентраторов). Газопламенные ТЭП работают на тепле, выделяющемся при сжигании органич. топлива.

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

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); Е - энергия; Е_к и Е _А - работа выхода катода и анода; AV₃, АV_ПP и V - падение напряжения соответственно на межэлектродном зазоре, на коммутационных приводах и во внешней цепи; е - заряд электрона; d - межэлектродное расстояние.

Важные преимущества ТЭП по сравнению с традиц. электромашинными преобразователями - отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокая надёжность, возможность эксплуатации без систематич. обслуживания. В наст, время (сер. 70-х гг) достигнут ресурс непрерывной работы одиночного ТЭП св. 40 000 ч. Перспективно использование ТЭП в качестве высокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, напр., в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при более низких темп-pax. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивные работы по созданию ТЭП, пригодных для массового пром. 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. H. С. Лидоренко.

ТЕРМОЭРОЗИЯ, сочетание теплового и механич. 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 естеств. уклона поверхности становятся путями стока талых вод и дождевых осадков, в свою очередь оказывающих дальнейшее тепловое и эродирующее воздействие на мёрзлые породы.

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких темп-pax (порядка 10⁷К и выше). Высокие темп-ры, т. е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатич. 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.

Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого " экзоэнергетического" сдвига к средней части периодич. системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, к-рый имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Т. р.- это реакции слияния (синтеза ) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра ⁴Не (а-частица ) возможны экзоэнергетич. реакции деления лёгких ядер (одна из них, " чистая" реакция ¹¹В + р-> 3⁴Не + + 8, 6 Мэв, привлекла к себе интерес в самое последнее время ).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химич. элементов (ну клеогенеза ).

Скорости Т. р. В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Т. р. - её макс. эффективного поперечного сечения о _макс, и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции - первой слева) частицы.

Таблица 1

р - протон, D - дейтрон (ядро дейтерия ²Н), Т - тритон (ядро трития ³Н), n - нейтрон, e⁺ - позитрон, v - нейтрино, Y - фотон.

Табл. 2. - Водородный цикл

Табл. 3. - Углеродный цикл

Главная причина очень большого разброса сечений Т. р.- резкое различие вероятностей собственно ядерных (" послебарьерных") превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра ⁴Не, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных с ла б ым взаимодействием (например, р + р -> D + е⁺ + v), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в ед. времени равно n i n ₂ < va(v)>, где n₁, n ₂ - концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n₁n ₂ следует заменить на Vz n), v - относит, скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v [распределение к-рых в дальнейшем принимается максвелловским (см. Максвелла распределение)}.

Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем < vo(v)>. В практически важном случае " не очень высоких" темп-р Т< (10⁷ -т- 10⁸)К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом

случае относит, энергии Е сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z = 1 составляет ~200 Кэв, что соответствует, по соотношению Е = КГ, Т~1 -10⁹К) и, следовательно, вид а(и) определяется в основном вероятностью " туннельного" прохождения сквозь барьер (см. Туннельный эффект), а не собственно ядерным взаимодействием, в ряде случаев обусловливающим " резонансный" характер зависимости a(v) (именно такая зависимость проявляется в наибольших из значений а„акс в табл. 1). Результат имеет вид
[ris]

где const - постоянная, характерная для данной реакции, Z₁, Z₂ - заряды сталкивающихся ядер, - их приведённая масса, е - заряд электрона, h - Планка постоянная, k -Болъцмана постоянная.

[ris]

Т. р. во Вселенной играют двоякую роль - как основной источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для

нормальных гомогенных звезд, в т. ч. Солнца, гл. процессом экзоэнергетич. ядерного синтеза является сгорание H в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро ⁴Не и 2 позитрона. Этот результат можно получить двумя путями (X. Бете и др., 1938-39): 1) в протонпротонной (рр) цепочке, или водородном цикле; 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (табл. 2 и 3).

Первые 3 реакции входят в полный цикл дважды. Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т = 13 мл н К (по другим данным -16 млн К), плотность H - 100 г /с м ³. В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с v.

В CN-цикле ядро ¹²С играет роль катализатора. Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд -CN-цикл. Водородный цикл разветвляется на 3 варианта. При достаточно больших концентрациях ⁴Не и Т > (10 -: - 15) млн К, в полном энерговыделении начинает преобладать др. ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в табл. 2 заменой реакции ³Не + ³Не на цепочку:
[ris]

а при ещё более высоких Т - третья ветвь:
[ris]

Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы T. р.; они протекают при значительно более высоких темп-pax и плотностях, чем рр-и CN-циклы. Осн. реакцией гелиевого цикла, идущей, начиная с Г" 200 млн К, является т. н. процесс Солпитера: 3⁴Не -> ¹²С + y₁+ y₂ + 7, 3 Мэв (процесс не строго тройной, а двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Ве). Далее могут следовать реакции ¹²С +⁴Не -> ¹⁶О + у, ¹⁶О + ⁴He-> ²⁰Ne + + " у; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая " острота" резонанса в ядерной реакции 3⁴Не-> ¹²С, обеспечиваемая наличием подходящего дискретного уровня энергии у ядра ⁸Ве.

Если продукты реакций гелиевого цикла вступят в контакт с H, то осуществляется неоновый (Ne-Na) цикл, в к-ром ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания H в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-цнклу (табл. 3), только ядра ¹²С, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ^I5O, ¹³N заменяются соответственно ядрами ²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, " Na, ²³Na, ²³Mg. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеогенеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов: ²¹Ne + + ⁴He-> ²'ⁱMg + n (аналогичную роль может играть и ядро С, участвующее в CN-цикле). Последующий " цепной" захват нейтронов, чередующийся с процессами Р~-распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Средняя интенсивность энерговыделения е в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна. Так, для Солнца (в среднем на 1 г солнечной массы) е = 2 эрг/сек гЭто гораздо меньше, сек • г напр., скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ. Однако вследствие огромной массы Солнца (2'10³³ г) полная излучаемая им мощность (4 -10^м вm) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца на ~ 4 млн.т) и даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Из-за колоссальных размеров и масс Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае - гравитационного) и термоизоляции плазмы: Т. р. протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как рр- и CN-циклы (табл. 2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; напр., фундаментальная реакция р + p-^D + е⁺ + v непосредственно вообще не наблюдалась.

Т. р. в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Т. р., связанные с участием изотопов водорода D и Т. Подобные Т. р. в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытат. взрывах термоядерных, или водородных бомб (см. Ядерное оружие). Энергия, высвобождающаяся при взрыве такой бомбы (10²³- 10²⁴э рг), превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов. Вероятная схема реакций в термоядерной бомбе включает Т. р. 12, 7, 4 и 5 (табл. 1). В связи с термоядерными взрывами обсуждались и др. Т. р., напр. 16, 14, 3.

Путём использования Т. р. в мирных целях может явиться управляемый термоядерный синтез (УТС), с к-рым связывают надежды на решение энергетич. проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых Т. р. Наибольший прогресс в исследованиях по УТС достигнут в рамках сов. программы " Токамак". Аналогичные программы к сер. 70-х гг. 20 в. стали энергично развиваться и в ряде др. стран. Для УТС наиболее важны Т. р. 7, 5 и 4 [а также 12 для регенерации дорогостоящего Т]. Независимо от энергетич. целей термоядерный реактор может быть использован в качестве мощного источника быстрых нейтронов. Однако значит, внимание привлекли к себе и " чистые" Т. р., не дающие нейтронов, напр. 10, 20 (табл. 1 ).

Лит.: Арцимови ч Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Термоядерные реакции, в кн.: Проблемы современной физики, М., 1954, в. 1; F о w1 е r W. А., С a u g h 1 а п G. R., Z i rain е r m а п В. A., " Annual Review of Astronomy and Astrophysics", 1967, v. 5, p. 525. В. И. Коган.