核動力電池和熱電效應的工作原理

這是一個核動力電池,一次能爲飛行器提供上百年的動力。 這是如何做到的呢? 準備一根銅線和一根鐵線,將它們的兩端連接在一起, 然後將它們的一端進行加熱,另外一端放入冰冷環境中, 那麼在兩種材料之間就會產生一個小電壓。 爲什麼會這樣呢? 由於使用的材料都是導體,這意味着導體內部會有一些自由電子, 電子可以在電壓或電位插下運動, 當對自由電子加熱時,自由電子的振動就變得越激烈。 同樣的道理,當對導體進行加熱時, 加熱一端的導體,自由電子的振動也變得很激烈, 從而推動電子往右邊移動, 這會導致左邊的電子越來越少,從而產生一個電位差。 對於另外一種導體,由於金屬不同,會有不同數量的自由電子, 它在加熱時也會產生一個電勢差。 在同樣的加熱溫度下, 兩種不同的導體將會產生兩個不同的電勢差。 現在我們將兩根導線連接在一起, 兩根導線的自由電子就會從左向右推動, 假如上面的導體推動的電子爲20個單位, 下面的導體推動的電子爲10個單位, 那麼內部等效移動的電子數就爲10個, 這些電子沿着順時針進行移動, 從而就會在導線上產生電流, 這種設備也被稱爲熱電偶。 核動力電池由數百個熱電偶串聯組合而成, 它的內部是放射性同位素鉢238, 鉢238會發生衰變產生熱能, 溫度能夠達到500攝氏度, 核動力電池的外面面向太空, 溫度低於260攝氏度, 這種巨大的溫差, 在通過熱電偶時就能產生電力, 並且能夠持續爲飛行器提供上百年的動力。 除了產生電能外, 反過來我們也可以在兩根導體之間接上電池, 電壓會導致導線的一端升溫, 另外一端則會降溫, 這是因爲當電子從一種導體傳遞到另一種導體時, 電子會從一個能量較高的狀態, 過渡到一個能量較低的狀態, 從而釋放熱量,提高導體連接處的溫度。 同樣的,如果一個電子從低能態, 躍遷到高能態, 它會吸收熱量, 從而降低導體連接處的溫度。 如果將多根導線連接在一起, 就會在導線兩端產生一個高溫區和一個低溫區, 形成良好的熱導體。 根據這個原理, 我們將導線替換成半導體材料, 一邊是通過摻雜, 擁有更多電子的N型半導體, 另外一邊爲缺乏電子, 形成空穴的P型半導體。 現在我們在N型半導體和P型半導體的底部, 分別添加一塊金屬導體, 而頂部共用一塊金屬導體, 然後在底部兩塊金屬導體上接上電源。 現在我們來分析一下這個系統, 當電子通過底部金屬時, 電子需要經過高能級的軌道, 才能進入N型半導體, 這個過程會吸收熱量, 導致底部溫度降低, 然後電子來到頂部連接處時, 情況剛好相反, 電子只需要經過低能級的軌道, 就能到達頂部金屬塊, 這個過程會釋放熱量, 導致結合處的溫度升高, 接着電子來到P型半導體的結合處, 由於P型半導體內有空穴, 電子只需要通過低能級軌道, 就能進入P型半導體, 這個過程還是一樣會釋放熱量, 導致結合處的溫度升高, 接着電子來到底部位置的結合處, 由於電子進入底部金屬塊需要更高能級, 所以需要吸收熱量, 這會導致底部結合處溫度降低, 從而形成一個底部溫度低, 而頂部溫度高的熱導體, 這種熱導體也被稱爲帕爾貼, 然後通過串聯成百上千的這種帕爾貼結, 就可以最大限度放大熱電效應, 最後再添加一個散熱片, 就形成了一個可以有效散熱的散熱器了。