STOLBOV STUDY | ФИЗИКА для взрослых и детей

Почему звук от поезда по рельсам передается быстрее? Если вы в детстве занимались популярной забавой – клали на рельсы монетку, чтобы ее раздавил поезд, наверняка прикладывали ухо к рельсу и чувствовали вибрацию приближающегося состава задолго до появления звука в воздухе. Сегодня немного поговорим о распространении упругих волн в твердых телах, и от чего зависит их скорость. Из школьной физики нам известно, что волны бывают поперечными и продольными. В первых направление колебаний среды перпендикулярно распространению волны, а во вторых – параллельно. Например, если дернуть вверх-вниз привязанный к стене шнур, то по нему пойдет поперечная волна, а если толкнуть прикрепленную к стене длинную пружину – возбудится продольная. Сегодня поговорим о самой известной продольной волне – звуке, являющейся попеременным сближением или отдалением молекул в разных участках среды. Если звук – это передача энергии через физическое сближение молекул, логично предположить, что чем меньше расстояние между атомами или молекулами в веществе, тем быстрее в нем распространяется звук. Поэтому в жидкостях скорость звука выше, чем в воздухе, а в твердых телах она достигает колоссальных величин. Вот почему стук колес поезда чувствуется в рельсах на очень больших расстояниях, которые звук может и не преодолеть, рассеявшись. Но если с различиями скоростей в разных агрегатных состояниях все ясно, давайте теперь поймем, от чего зависит скорость звука в твердых телах. И возьмем для примера наши любимые металлы. В твердых телах атомы не сталкиваются и не перемешиваются друг с другом как в воздухе или жидкости, они только колеблются возле своих определенных мест. При распространении упругой волны, коей является звук, по цепочке происходит передача энергии колебаний между соседними атомами. И то, насколько быстро будет передаваться эта энергия, определяют две основные вещи: плотность материала и жесткость межатомных связей. Плотность материала определяется массой единицы объема, и в металлах она во многом определяется массой атома. Так как кинетическая энергия зависит от массы, тяжелые атомы трудно сдвинуть с места и запустить в таком материале, как, например, свинец упругую волну. В то время как легкие атомы типа алюминия быстро приходят в движение при малейшем толчке. Жесткость связи показывает, как решетка реагирует на упругую деформацию. Грубо говоря связь похожа на пружину, которая если очень жесткая – быстро передает колебания, практически не деформируясь, а если мягкая – медленно деформируется, пропуская через себя энергию (как резинка). Жесткость связи определяется тем, что находится между атомами и как оно реагирует на сжатие. В наших любимых металлах, как я уже рассказывал, между ионами кристаллической решетки находится электронный газ. И по сути, можно сделать допущение (да простят меня критики научпопа) о том, что жесткость связи связана с тем, насколько этот газ плотный, т.е. сколько свободных электронов летает в единице объема кристалла. Чем их больше, тем быстрее они реагируют на деформацию решетки, стремясь вернуть все на свои места. Примерно, как воздух под давлением внутри футбольного мяча. Все это сложное упругое взаимодействие между атомами объединяется в одну макроскопическую величину под названием модуль упругости материала, или модуль Юнга. Таким образом, скорость звука в твердых телах пропорциональна отношению модуля упругости к плотности материала. Максимальная скорость будет там, где жестче связи и меньше плотность. В металлах рекордную скорость звука имеет бериллий (12600 м/с) – очень легкий металл, имеющий высокую жесткость. Наименьшая скорость звука достигается в свинце (около 2200 м/с) с тяжелыми неповоротливыми атомами и мягкими связями. В твердых телах с другим типом связи (неметаллах) все не так однозначно, т.к. они состоят из нескольких элементов и имеют сложные конфигурации кристаллических решеток, в которых жесткость связи очень индивидуальна. Поэтому для их скорости звука сложно установить единую закономерность. А вы развлекались в детстве с монеткой на рельсах?

Как закон сохранения энергии помогает или мешает аэродинамике? Сегодня поговорим о достаточно известном законе, который окружает нас чаще, чем кажется, – о законе Бернулли. Те, кто знает, освежат его в памяти, а кто не знает – откроет для себя много нового Этот закон объясняет, почему проезжающая мимо стоящего автомобиля фура раскачивает его, а также почему нельзя стоять близко к краю платформы, когда мимо проезжает поезд. Я уже упоминал в своих недавних рассуждениях о том, почему образовываются пробки, уравнение неразрывности струи, согласно которому проходящая через меньшее сечение жидкость движется с большей скоростью, т.к. через любое сечение потока за одно и то же время проходит одинаковая масса. Но что если я скажу, что к этому утверждению добавляется тот факт, что в потоке жидкости или газа, движущихся с большей скоростью, уменьшается давление? Это и есть закон Бернулли. Таким образом, получается, что если воздух двигается быстро, то в месте его движения образуется небольшое разрежение (а может, и большое, смотря какая скорость). Если пытаться объяснить закон на молекулярном уровне, то мы ступим на не очень популярную дорожку. Дело в том, что Бернулли вывел свой закон из закона сохранения энергии классической Ньютоновской механики в 1738 году, рассматривая то, как движутся жидкости, принимая их за сплошную среду. В это время еще не было четкого представления о том, что все вещества состоят из молекул. Молекулярно-кинетическая теория, связывающая закономерности движения молекул по классическим законам с такими макроскопическими параметрами, как давление, температура и пр., была создана всякими Клаузиусами, Максвеллами и Больцманами только спустя полтора века. Но если все-таки пытаться натянуть сову на глобус МКТ на гидродинамику, то надо вспомнить, что давление с молекулярной точки зрения создается ударами этих молекул о стенку сосуда. И чем больше ударов, тем больше давление. Если мы представим поток жидкости, текущей в трубе с определенной скоростью, то всегда будут присутствовать молекулы, скорость которых направлена строго туда, куда течет жидкость, и те, у которых скорость отклонена от этого направления на какой-то угол. Вторые при этом неизбежно будут врезаться в стенку и оказывать давление. Так вот, чем больше скорость потока жидкости, тем меньше в ней присутствует молекул, скорость которых отклонена от направления потока, т.е. большинство молекул двигаются в этом направлении, а значит, меньше будет ударов о стенку и, тем самым, меньше давление. Когда мимо нас проезжает поезд на большой скорости, между нами и поездом создается разрежение воздуха (область пониженного давления). В то же время с обратной стороны давление остается неизменным. Эта разность давлений создает силу, направленную в сторону поезда. Таким образом, согласно закону Бернулли, нас буквально засасывает под поезд. Аналогичная ситуация происходит и с фурой, проезжающей мимо стоящего автомобиля: движущийся между ними поток воздуха пытается притянуть автомобиль к фуре. Крыло самолета работает в том числе и благодаря закону Бернулли, когда из-за специфической формы создается более быстрый поток (а, значит, меньшее давление) вверху крыла, и возникает подъемная сила. Есть еще много примеров, где можно наблюдать закон Бернулли, и я оставлю их поиск вам. Пишите в комментариях свои примеры и пересылайте тем, кто не знал, почему нельзя заходить за начерченную на платформе линию. Кстати, в московских Кузьминках есть паб под названием «Закон Бернулли». Но никакой тематической атрибутики я там не увидел.

Я тут снова пропадал на заводе, изначально наивно думая, что в командировке будет много времени писать посты. Если интересно, расскажу в общих чертах про свой не типичный, а довольно насыщенный день с промышленного сопровождения. Это занимает меньше времени, чем написание образовательных постов 😁. Но они тоже скоро будут. А пока посмотрите, как красиво у меня получилось снять льющуюся сталь со шлаком через темный светофильтр, который я уже стал с собой брать, чтоб не ослепнуть. В прошлый раз выкладывал кадры без фильтра. Как будто пенку с молока снимают. А у вас какие ассоциации?

Бензин и статическое электричество Хайпуем на актуальной этим летом теме. Поговорим сегодня об электризации диэлектриков и заряде проводников, об электрическом пробое, а также обсудим вопросы о транспортировке топлива. Для начала вспомним, что диэлектрик от проводника отличается отсутствием свободных носителей заряда. Если в проводниках эти носители есть, как, например, в металлах, о которых я часто рассказываю (например, тут), то в диэлектриках все заряды сидят на своих местах и не двигаются (если только совсем чуть-чуть), как, например, в пластике, стекле или бензине. Из-за того, что в диэлектрике заряды не могут двигаться, каждый участок поверхности может накапливать большой заряд. В металлах, в свою очередь, свободно движущиеся электроны разносят привнесённый извне заряд по всей площади изделия, уменьшая плотность заряда и не давая ему скапливаться в одном месте. А привносятся заряды, как в нашем случае, с помощью трения. При контакте двух поверхностей они отрываются от одной, вызывая в ней недостаток зарядов, и приклеиваются к другой, создавая их избыток. Это называется трибоэлектрическим эффектом — тем самым из школьной физики с трением эбонитовой палочки о шерсть. А теперь применим эту теорию к топливу и поговорим о темах, с которыми водители могут сталкиваться в реальной жизни. Нужно ли заземление бензовозу? При движении бензовоза бензин плещется и трётся о стенки цистерны, обмениваясь с ней зарядами, и вызывает накопление заряда на резервуаре. Раньше сзади бензовоза по дороге волочилась цепь (видели?) для отвода статического заряда. Со временем поняли, что такой метод не очень эффективен: контакт с дорогой ненадёжный, да и сама цепь могла искрить. Сейчас вместо цепи применяют специальные токопроводящие графитовые добавки в шины автомобиля, и заряд с цистерны потихоньку стекает в землю. Заземление крайне необходимо именно при сливе топлива из цистерны. Когда оно огромным потоком течёт через фильтры, насосы и другие элементы системы, заряды разделяются. В какой-то момент из-за разбрызгивания и турбулентности может возникнуть опасное сочетание: заряженная поверхность, воздух с парами бензина и заряженное топливо. Когда разность потенциалов между элементами бензовоза и жидким топливом достигает критической величины, а смесь воздуха и паров оказывается в нужной пропорции, может произойти пробой этой воздушно-паровой прослойки (искра), а затем воспламенение. Поэтому перед сливом топлива на заправке бензовоз первым делом подключают к специальному заземляющему устройству, и заряд на нём уже не накапливается. Куда лить — в металл или пластик? Понятно, что все льют чуть ли не себе в карман, но у физики задача – предупредить. Цистерна бензовоза изготовлена из металла, в котором накопленный при трении заряд распределяется практически равномерно по всей оболочке бака. Поэтому локальная плотность заряда в металле всегда ниже, и пробой наступает позже, чем у диэлектрика. К тому же, бензин вытесняет из цистерны воздух, и внутри его остаётся слишком мало для образования взрывоопасной смеси с парами. Поэтому стоит вопрос, а нужно ли вообще заземление при движении? Аналогично это работает и с канистрами. Вопрос, можно ли наливать бензин в пластиковую канистру, волнует многих водителей. Когда вы наливаете бензин из обычной пластиковой канистры, которую зарядило трение топлива и катание по багажнику, между горлышком и кузовом стоящего на земле автомобиля возникает разность потенциалов и сильное электрическое поле. При достаточном напряжении в пространстве у открытой струи с парами бензина может возникнуть пробой. С металлической канистрой такого не случится, т.к заряд распределяется по всей поверхности и не локализуется у горлышка, а через руку и тело он постепенно уходит в землю. Именно поэтому обычные пластиковые канистры для бензина не рекомендуются. Можно использовать только специальные с графитовыми добавками — они становятся частично проводящими и накапливают заряд гораздо слабее. Надеюсь, что понятно осветил самые популярные вопросы о бензине и статическом электричестве. Если есть дополнительные — пишите в комментарии.

Немного отдыхаем Если вдруг на этой неделе видели на одной из машин, катающейся по Ленобласти, наклейку @stolbov_study (что, конечно, вряд ли), передавайте привет. В очередной раз из разных мест убеждаюсь, что Балтийский вайб особенный, не похожий на другие. Уже выдвигаемся назад.

Дайджест постов за май-июнь. Предыдущие два месяца накануне экзаменов у меня, как и у всех преподавателей, были довольно загружены, но, тем не менее, были интересные посты, которые вы могли пропустить. Как работает толщиномер? Все видели, как автоподборщики им пользуются, но мало кто задумывался о том, что там внутри. Ничего сложнее школьной физики на самом деле. Атмосферные фото выплавки стали с моей командировки на завод. Жаркое место с огромными агрегатами. Мое сравнение пробок на дороге с уравнением неразрывности струи при течении жидкости. Нестыковки автомобильного потока с теорией сплошной среды. Профдеформация в чистом виде 😁. Про один из самых необычных способов соединения деталей - сварку трением. Что происходит в стыке между поверхностями на атомном уровне. Продолжение про трение: что происходит с тормозным диском при торможении? Эксклюзивный контент из немецких диссертаций и статей, написанных при сотрудничестве с автоконцернами. Смотрю карбоновые волокна в электронный микроскоп на кусочке корпуса болида формулы-1. Как создать микрохолодильник? Все об эффекте Пельтье, который решил много вопросов с охлаждением очень маленьких пространств и элементов. Какое стекло безопаснее? О том, какие бывают состояния поставки стекла, чем они отличаются и в чем секрет закаленных стекол. Приятного чтения, а я врываюсь во вторую неделю отпуска. Дайджест постов за март-апрель.

Как производят карбон? Итак, друзья, зарекся я полезть не в свою область и рассказать вам о производстве карбона, если наберем 50 реакций. Ну что ж, нужное количество набрали, выполняю обещание. Физики здесь практически нет, только химия, поэтому призываю осведомленных в теме меня поправлять. Кстати, когда собирал информацию, обнаружил, что на русскоязычных ресурсах очень поверхностно ведется рассказ о технологии производства углеродного волокна, но зато очень много патриотически-рекламных видео о том, что у Росатома есть в Елабуге самое крупное профильное предприятие. Так как мы будем говорить об углеродных материалах, то давайте не просто будем перечислять все этапы производства, а рассмотрим путешествие атомов углерода из одного вещества в другое (это же химия, здесь про превращение веществ друг в друга). Как мы знаем, углерод имеет 4 валентных электрона и может образовывать 4 связи с другими атомами. И за первую его остановку давайте возьмем жидкое органическое вещество акрилонитрил CH₂=CH-C≡N. Говорят, токсичный. В двойной связи углерода (там, где две палочки) одна из них слабее. При определенных условиях (специальная среда, температура и многое другое) эта слабая связь рвется, образуя вместо целостного вещества большое количество частиц–радикалов с неспаренными электронами, желающих к чему-нибудь срочно присоединиться. И присоединяются они к таким же радикалам, образуя длинную цепочку из тысяч повторяющихся звеньев, т.е. полимер. Это следующая остановка нашего углерода – стать частью полимера полиакрилонитрила (PAN) в виде порошка или гранул. Кстати, тройная связь в группе CN (там, где три палочки в формуле выше) очень прочная, и при образовании полимерной цепочки эти CN висят как бусы на молекуле полимера. Далее получившийся порошок растворяют в сложных растворителях с получением густой массы. Этот сироп проталкивают через множество мелких отверстий – фильер в водяную ванну, а затем, высушивая, сильно вытягивают, ориентируя большую часть полимерных цепочек параллельно друг другу, и получается белая прочная нить PAN – сырье для производства карбона. Итак, сейчас у нас углерод находится в волокне органического вещества. Значит нам нужно из этого волокна удалить все лишнее, оставив только атомы углерода. Что для этого подходит лучше всего? Конечно же, нагрев! Сначала волокно нагревают до 250-300 градусов. Первыми при нагреве, конечно же отлетают самые легкие - атомы водорода либо сами по себе, либо, соединяясь с кислородом, пришедшим из воздуха при отжиге. Также при этой температуре те самые CN-бусы начинают перестраивать химические связи между соседними звеньями одной цепи так, что цепочка превращается в жесткую лестничную структуру из соединенных шестиугольных колец. На этом этапе возникает структура, где почти в каждой вершине шестиугольного кольца находятся атомы углерода. Ничего это вам не напоминает? Да, именно эта остановка нашего углеродного путешествия является первым шагом к структуре графита. Остается финишная прямая – этап карбонизации – отжиг в инертной атмосфере при высоких температурах (1500 градусов). Здесь происходит окончательное изгнание почти всего, кроме углерода (азота и оставшегося водорода), а также укрупнение и упорядочивание углеродных шестиугольных сеток в графитоподобную слоистую структуру. Вот мы и получили углеродное волокно. Далее с этим волокном можно делать все, что угодно. Ткань, корпус автомобиля, декоративные накладки и т.д. Автомобильный карбон, например, делается путем укладки слоев волокна определенным образом и заливки его эпоксидной смолой. Так получается прочный и легкий композит. Волокно, кстати, после карбонизации обрабатывается специальным раствором, чтобы не повредиться при дальнейшем производстве из него чего-либо, и чтобы связующий компонент (эпоксидная смола) лучше сцеплялся с ним. Вот примерно так я влез в химию и рассказал вам о таком сложном продукте. Можете поправлять, дополнять и уточнять информацию в комментариях, а если было интересно, отправить другу.

Делаем эксперимент на относительно редкой установке Gleeble. Машина предназначена для моделирования процессов горячей деформации металлов разными способами. Можно греть до высоких температур, сжимать, как на прикрепленном видео, растягивать, крутить, нагревать и охлаждать с разными скоростями, в общем извращаться с металлом как угодно. При этом датчиками вытягивается вся информация о процессе, которая только возможна + дополняется анализом микроструктуры образцов после испытаний. Это нужно, чтобы на маленьких образцах смоделировать процессы, происходящие на производстве, например, при горячей прокатке, закалке и т. д. По записанным данным можно понять, при каких температурах и усилиях нужно катать, например, лист для получения нужной структуры и свойств. Строить различные графики и карты, которые потом могут быть использованы технологами на заводе. Как раз сейчас мы и пытаемся получить данные, которые помогут проводить горячую прокатку листов с нужными свойствами. Таких установок в России, наверное штук 5. Много слышал и даже отдавал свои образцы на эксперимент для диссертации, но в живую не видел. На этот раз удалось поприсутствовать.

Кстати, закаленное стекло еще и более термостойкое по той же причине накопленных сжимающих напряжений на поверхности. Когда на стекло попадает горячая жидкость или воздух, внешняя поверхность пытается расшириться, а внутренняя, еще холодная из-за низкой теплопроводности стекла, не дает ей это сделать. В результате в стекле возникают растягивающие термические напряжения. Закаленное стекло просто позволяет возникать бОльшим напряжениям до разрушения, чем сырое, ведь его поверхность сжата. Нужно, как я уже говорил, сначала «расжать сжатое». И предельное значение растягивающих напряжения для распространения трещины становится больше.

Какое стекло безопаснее? Вот и от меня актуалочка подъехала. Ударная волна – штука коварная, а стекла на окнах бывают разные. Сегодня расскажу, чем отличаются обычные бытовые стекла друг от друга, а в конце вы сами ответите на вопрос из заголовка. Все мы знаем, что по своему химическому составу стекло – это диоксид кремния, в котором атомы соединены ковалентными связями, т.е. каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода путем обобществления их валентных электронов (рисунок 1). Также знаем, что стекло не имеет кристаллического строения, и многие считают, что оно аморфное, но я выделяю его в отдельную категорию состояний. О причинах этого я писал здесь. Когда при нагрузке или ударе в стекле возникают упругие напряжения, превышающие определенный предел, из-за отсутствия дислокаций, которые можно этими напряжениями двигать, как в металлах, им ничего не остается, как разорвать ковалентные Si-O связи в трехмерной сетке атомов с образованием двух новых поверхностей, т.е. трещины. О трещинах в металлах и дислокациях с рассказывал здесь. Существуют два основных состояния поставки стекла – сырое и закаленное. Сырое стекло после его горячей формовки (мы же знаем, что горячее стекло похоже на пластилин и из него можно лепить все, что угодно) долго остывает. Это делается в специальных теплоизолированных печах, чтобы слой за слоем изделие охлаждалось очень медленно, и в нем не возникали внутренние напряжения. Если такое стекло попытаться разрушить, приложив к нему статическую или ударную нагрузку, то на вершине возникшего или уже имеющегося микродефекта возникает концентрация колоссальных напряжений, которых более чем достаточно, чтобы разрушить не одну химическую связь, что и происходит. Большая накопленная на конце дефекта энергия мгновенно высвобождается, последовательно разрывая межатомные связи, и трещина распространяется прямолинейно с огромной скоростью (до 1,5 км/с) через все стекло. Закаленное стекло производят, как вы уже догадались, методом закалки – нагревают до температуры выше 600 градусов и быстро охлаждают потоками холодного воздуха. Таким образом, из-за низкой теплопроводности этого материала, внешние слои быстро остывают и по законам физики хотят сжаться, а внутренние какое-то время остаются горячими и сохраняют увеличенный объем, не давая сжиматься внешним (о термическом расширении я писал тут). В итоге в поверхностном слое стекла возникают большие сжимающие напряжения, а внутри него – растягивающие (рисунок 2). Такое состояние дает стеклу два полезных свойства. Во-первых, его тяжелее разрушить. Ведь при возникновении растягивающих напряжений, нужных для разрушения связей, им нужно сначала компенсировать сжимающие на поверхности стекла. Так сказать, сначала «расжать сжатое» а потом уже растягивать. Это дает более высокое предельное значение напряжений для разрушения. Во-вторых, при преодолении сжимающих напряжений поверхностных слоев, возникшая трещина, пробравшись вглубь стекла, встречает уже накопленные растягивающие напряжения. Получается, что помимо и без того большой энергии, которую несет в себе движущаяся трещина, высвобождается еще огромное количество накопленной внутри стекла энергии растягивающих напряжений, и, по идее, она должна распространяться еще быстрее. Но в любой упругой среде трещина не может распространяться со сколь угодно большой скоростью. Эта скорость ограничена скоростью распространения упругих волн в среде. А что происходит, если высвобожденная накопленная энергия больше, чем та, что дает трещине максимальную скорость? Ее излишку энергетически выгодно израсходоваться на образование новых фронтов разрушения (поверхностей). Таким образом, трещина в закаленном стекле начинает сильно ветвиться, приводя к разрушению стекла на множество мелких осколков, а не на несколько крупных, как в сыром состоянии. Теперь вы можете ответить на вопрос, какое стекло безопаснее. Да, еще, конечно существуют ламинированные стекла, покрытые ПВХ-пленкой. Там не важно, какое стекло использовать, ведь при разрушении все осколки остаются приклеенными к этой пленке.

Как создать микрохолодильник? Все мы знаем, что охлаждающие бытовые приборы, такие как холодильник или кондиционер, работают по принципу забора тепла из ограниченного пространства и его выброса в окружающую среду. Для этого у них есть сложная система трубок, по которым насосом прокачивается жидкий хладагент. Но что если холодильник нужен там, где места совсем мало? Например, когда нужно охлаждать какие-то электронные компоненты в устройстве. Физика все еще позволяет нам создать микрохолодильник, и человечество уже нашло способ сделать это, основанный на эффекте Пельтье. На самом деле эффект Пельтье, можно сказать, является обратным эффекту Зеебека, о котором я рассказывал в посте про термопары. В термопаре между двумя ее концами с разными температурами возникает разность потенциалов и электрический ток. При эффекте Пельтье, наоборот, при пропускании электрического тока один конец нагревается, а другой охлаждается. Рассмотрим подробнее, как это работает. У каждого металла есть своя средняя энергия, которую могут иметь электроны при той или иной температуре. Она зависит от электронного строения атомов, и электроны в каждом веществе не могут иметь энергию больше той, которая предусмотрена его строением. Когда мы соединяем два разных металла и прикладываем к концам разность потенциалов, через это соединение начинает идти ток, и электроны перепрыгивают из одного металла в другой. Но когда электрон с определенной энергией оказывается в металле, где такая энергия не предусмотрена его строением, он волей-неволей подстраивается под правила новой среды обитания и изменяет свою энергию до средней энергии электронов в новом веществе. Таким образом, если, например, электрон перескочил из металла, где он имел большую энергию, в металл с меньшей энергией, по закону сохранения ее излишек отдается колебаниям атомов решетки, и те начинают колебаться сильнее, а температура металла растет. Напротив, если электрон перескочил из металла, где он имел меньшую энергию, в металл с большей, то ему, чтобы существовать в новой среде обитания, нужно дополнительную энергию откуда-то взять. Он берет ее из колебаний решетки, тем самым замедляя их, а металл при этом охлаждается. Если мы создадим так называемый элемент Пельтье — последовательно соединим чередующиеся металлы, то при каждом переходе отдача или забор тепла у кристаллической решетки будет суммироваться, и в итоге мы получим существенный нагрев одной стороны элемента и сильное охлаждение с другой. Таким образом, этот прибор является своеобразным тепловым насосом, который перекачивает через себя тепло из одной части в другую, также как и холодильник, только гораздо меньших размеров. Эффективно работающие холодильники Пельтье содержат в себе полупроводники вместо металлов. Разница между энергиями электронов разных металлов не такая большая, и эффект Пельтье в них достигается очень слабый. Гораздо сильнее этот эффект в полупроводниках: при протекании тока через проводники n- и p-типа на их границах происходит рекомбинация электронов и дырок, при которой на одном контакте выделяется энергия, уходящая в тепло, а на другой — поглощается, что и создает охлаждение. О том, как работают полупроводники и диоды я рассказывал здесь. Поэтому современные элементы Пельтье — это сложное последовательное чередование полупроводников n- и p-типов и металлических перемычек между ними. Перемычки перенаправляют ток между полупроводниками так, чтобы выделяющаяся и поглощающаяся энергия суммировалась, приводя к образованию горячей и холодной противоположных сторон элемента. Еще одним важным условием для элемента Пельтье является его низкая теплопроводность. Ведь большая разница температур противоположных контактов, находящихся рядом, при высокой теплопроводности (например, в металлах) неизбежно приводит к быстрому перетеканию тепла от горячего к холодному. И тогда это устройство становится бессмысленным. Здесь как раз еще один бал в пользу полупроводников, плохо проводящих тепло. Хотели бы себе такой холодильник?