Термоэлектронный преобразователь

Существует два типа устройств-преобразователей тепловой энергии в электрическую: термоэлектронный и термоионный преобразователи^[2].

Принцип действия термоэлектронного преобразователя основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Конструкция модельного термоэлектронного преобразователя показана на рисунке. Два электрода, катод и анод, разделены вакуумным промежутком и соединены в электрическую цепь через нагрузку ${\displaystyle R}$. Катод из тугоплавкого материала (молибден, вольфрам, рений) покрыт слоем цезия (${\displaystyle {\ce {Cs}}}$). К катоду подводится тепловая энергия (непосредственно или путём косвенного накала). Катод нагревается до температуры, при которой начинает происходить термоэлектронная эмиссия. Электроны, покидая катод (эмиттер) и преодолевая межэлектродный промежуток (обычно он составляет величину около нескольких десятых мм), достигают поверхности анода (коллектора), создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая отрицательный электрический потенциал. Если процесс происходит непрерывно, т. е. тепло подводится к катоду и отводится от анода, то во внешней цепи будет протекать электрический ток, другими словами, совершаться работа. В межэлектродном промежутке находятся, помимо электронов, также атомы и ионы цезия для компенсации объёмного заряда электронов, образующихся вблизи электродов. Покрытие катода изготавливают из цезия, поскольку работа выхода электронов из этого материала мала и электронам легче покидать его, а атомы легко ионизируются в межэлектродном промежутке под воздействием термически эмитированных электронов.

В наиболее эффективных термоэлектронных преобразователях температуры составляют, соответственно, для катода: ${\displaystyle 1700-2000\,{\text{К}}}$, анода: ${\displaystyle 800-1100\,{\text{К}}}$.

Термоэлектронный преобразователь развивает напряжение, чуть меньшее контактной разности потенциалов (${\displaystyle 0,5-1\,\,{\text{В}}}$). Разница возникает из-за падения напряжения в межэлектродном промежутке и электрическими потерями в подводящей электрической цепи. Ионы цезия ${\displaystyle {{\ce {Cs^+}}}}$ образуются в результате столкновения электронов с нейтральными атомами цезия и на катоде, и в межэлектродном промежутке. Иногда реализуется ступенчатая ионизация атомов цезия — в межэлектродный промежуток вводятся пары цезия (из нейтральных атомов), которые при соударении с термоэлектронами вначале переходят в возбуждённое состояние, а при последующих столкновениях с электронами ионизируются, превращаясь в ионы по схеме:

Режим работы термоэлектронного преобразователя в таком режиме называют дуговым.

По способу подачи тепла к катоду термоэлектронные преобразователи делятся на ядерные (подвиды: реакторные и радиоизотопные), солнечные (используется энергия Солнца с применением гелиоконцентраторов) и газоплазменные.

Преимущества термоэлектронных преобразователей:

• компактность;
• высокая надёжность;
• очень редкое профилактическое обслуживание.