热电发生器

今天的故事从一个小冰箱开始。

这是一个炎热的夏天,一个人们外出时可以出汗五分钟的季节。为了在大热天喝一罐冰可乐,我花了68块钱买了一个迷你冰箱,不仅可以制冷,冬天还可以变成加热箱。

现在冰箱都这么万能了吗?出事必有妖,但能忽冷忽热又便宜的冰箱绝对不是正经冰箱,一定要调查!

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迷你冰箱是“正经”冰箱吗?

咳咳,我来宣布一下调查结果:这款冰箱和家里的冰箱名字一样,但制冷原理不能说有显著区别,只有不相关。这里就不用说了,普通冰箱的制冷原理,网上那些花花绿绿的小冰箱的核心原件就是半导体制冷片。

半导体制冷片的长度如下:

热电发生器插图(来源:维基百科)

它的结构很简单,一个小方片,两根线。当制冷片通电时,这个小片的一面会很热,另一面会很冷。改变通电方向后,加热面和冷却面也会反过来,半导体制冷片的小冰箱可以制冷制热。

(来源:作者自制)

而且半导体制冷芯片要求的电压也很低,可以用充电宝供电,汽车上的车载冰箱大部分都是半导体制冷。

半导体制冷片将两种不同的半导体材料粘在一起,然后从两种材料的每一种中引出一根导线。在工作中,当导线连接到DC电源时,热量将从一种材料转移到另一种材料,这表明它同时在冷却和加热。

这种现象被称为珀尔帖效应。这一效应是由法国物理学家J.C.A .珀尔帖于1834年发现的。珀尔帖原本是一名钟表匠,但在30岁时,他开始实验和观察物理。他的日常生活要么是在阿尔卑斯山烧水并测量沸水的温度,要么是在海边观察水龙卷并思考龙卷风是如何形成的。

然而,正是因为这些看似“无用”的措施,才产生了许多“有用”的科学原理,所以让我们一起说:谢谢珀尔帖!

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热电现象三巨头。

随着物理学的发展,科学家们把珀尔帖效应和另外两位科学家发现的效应总结起来,统称为热电现象。现在这三种现象制造出来的机器已经遍布全球,甚至有些冲出了地球(别急,看到后面就知道是什么了)。

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热电现象三巨头是谁?

前面提到了珀尔帖效应,接下来我给大家介绍一下塞贝克效应:当两个不同的导体连接成回路,两边的材料温度不同时,回路中就会产生电流。这种效应与珀尔帖效应相反。

也就是说,拿一块半导体制冷片,在两面制造温差(比如一面贴冰块,一面放保温袋)。这种半导体制冷片就成了利用温差发电的发电机。

最后一个现象是汤姆逊效应:当有温度梯度的均匀导体(一头热一头冷的一根铁丝)通电时,导体会吸收或释放一部分热量。

利用帕尔贴效应制作的半导体制冷片,让我们可以享受冰镇可乐和热奶茶,但发电靠的是塞贝克效应:温差+热电转换器=发电机。

二战期间,苏联游击队苦于无线电台没地方充电,而普通发电机用起来又大又吵。于是他们委托科学家开发了一种基于塞贝克效应的水壶热电发电机,看起来和普通水壶没什么区别,但是它利用篝火和水之间300度左右的温差来发电,这种发电机的充电功率可以达到6W。

(图片来源:pikabu.ru)

后来,出现了利用煤油灯热量发电的TKG 3号发电机。每个人都可以在晚上点煤油灯给收音机充电。

(图片来源:pikabu.ru)

04

小型“核电站”——RTG

由于热电发电机本身没有运动部件,皮革耐用的特性使其成为航空航天界的宠儿。

深空空探测任务中,航天器可能远离太阳或处于阴影区,光照严重不足,环境温度较低。在这种环境下,飞船的供电是个大问题。

这个问题的解决方案是放射性同位素热电发生器,或简称为RTG(放射性同位素热电发生器)。RTG利用塞贝克效应将放射性同位素衰变产生的热能转化为电能。

RTG的发电过程分为衰变热收集阶段和温差发电阶段。以一个典型的RHU/RTG为例:放射性元素(钚-238)衰变时会释放射线,组成射线的高能粒子在与周围物质相互作用时会被阻止和吸收,从而产生热量。

安装的装置相当于一个非常持久的热源(可以保持加热几十年)。有了持久的热源,RHU/RTG的发电能力也非常持久稳定,发电时产生的余热可以用来给飞船保温,一举两得。

RHU:放射性同位素加热装置同位素热源

RTG:放射性同位素热电发电机

(资料来源:参考文献1)

安装在旅行者二号上的RTG(1977年发射,2018年飞出太阳风层,成为第二个进入星际空间的飞行器空)已经稳定工作了41年,RTG也装备在好奇号火星列车和嫦娥四号着陆器上。

好奇号探测器尾部的RTG。

(来源:维基百科)

当然,RTG可以克服宇宙的极端环境,而地球上的极端环境对它来说是小菜一碟。

在极夜漫长的北极冬季,灯塔的能源供应依赖于RTG。截至1992年,美军在北极部署的军事设施也使用RTG供电。小型化的钚-238电池曾被用作心脏起搏器的电池。

随着柔性电路和新材料的出现,由热电现象制成的设备的性能将会大大提高。或许在未来,智能手表可以利用人体皮肤与空气体的温差获得足够的电力,或者可以在衣服中植入柔性半导体制冷装置,得到一件不怕夏天的制冷服。

来源:科普中国

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