We współczesnym świecie urządzenia elektroniczne – od smartfonów i laptopów po zaawansowane serwery – stanowią integralny element codzienności. Choć różnią się one przeznaczeniem i mocą obliczeniową, wszystkie wykazują jedną wspólną cechę fizyczną: emisję ciepła podczas pracy. W przypadku najbardziej wydajnych jednostek generowane ciepło jest tak duże, że wymaga stosowania aktywnych systemów chłodzenia, takich jak radiatory czy wentylatory. Pojawia się zatem fundamentalne pytanie: skąd bierze się wzrost temperatury w układach, które nie zawierają żadnych ruchomych części mechanicznych?
Czym jest temperatura?
Aby zrozumieć mechanizm nagrzewania się elektroniki, należy w pierwszej kolejności zdefiniować temperaturę z punktu widzenia fizyki statystycznej.
Temperatura to makroskopowa miara średniej energii kinetycznej chaosu termicznego cząstek (atomów, cząsteczek lub jonów) tworzących dany układ.
W ujęciu mikroskopowym cząstki w ciele o wysokiej temperaturze poruszają się lub wibrują z wyższą średnią prędkością niż w ciele zimnym. Obrazowym przykładem jest woda: jedyną różnicą między wrzątkiem a wodą lodowatą jest intensywność ruchu jej cząsteczek. Aby ten ruch przyspieszyć, do układu należy dostarczyć energię z zewnątrz – na przykład za pomocą palnika gazowego lub grzałki elektrycznej w czajniku. W przypadku urządzeń elektronicznych nośnikiem energii pierwotnej jest prąd elektryczny.
Mechanizm generowania ciepła: Rezystancja i zjawisko Joule’a-Lenza
Uruchomienie urządzenia zamyka obwód elektryczny, a źródło zasilania (np. akumulator litowo-jonowy) wytwarza pole elektryczne. Siła elektromotoryczna zmusza do ruchu nośniki ładunku – elektrony – które zaczynają przemieszczać się przez przewodniki i półprzewodniki (ścieżki miedziane, mikroprzewody oraz struktury krzemowe układów scalonych).
Ruch ten nie odbywa się jednak w próżni. Struktura krystaliczna przewodnika składa się z regularnie rozmieszczonych atomów, które nieustannie drgają wokół swoich położeń równowagi.
Poruszające się elektrony nieustannie zderzają się z atomami sieci krystalicznej. Podczas każdego zderzenia część energii kinetycznej elektronu jest przekazywana atomowi, co zwiększa amplitudę jego drgań. W skali makroskopowej ten wzrost intensywności drgań sieci odczuwamy właśnie jako wzrost temperatury materiału.Zjawisko to nazywamy rezystancją (oporem elektrycznym), a proces wydzielania się ciepła pod wpływem przepływu prądu to prawo Joule’a-Lenza. Ilość generowanego ciepła jest wprost proporcjonalna do oporu, kwadratu natężenia prądu oraz czasu jego przepływu.
Dlaczego telefon grzeje się mocniej podczas używania aplikacji?
Wszystko, co się dzieje w środku telefonu komórkowego i komputera opiera się na obliczeniach. Każda aplikacja niezależnie od jej funkcji to dla komputera jedynie zestaw operacji matematycznych. Im bardziej skomplikowana jest aplikacja/gra, telefon musi wykonywać więcej obliczeń. Każda operacja oznacza ruch elektronów wewnątrz urządzenia. Więcej obliczeń oznacza większy przepływ energii, co w praktyce prowadzi do nagrzewania się telefonu.
Czy jest możliwe wyeliminowanie oporności elektrycznej materiałów? Tak. Potrzeba do tego materiału, w którym elektrony będą mogły płynąć swobodnie, bez zderzania się z atomami. Innymi słowy, potrzebujemy materiałów o zerowej rezystancji. W ten sposób wyeliminujemy problem nagrzewających się urządzeń. Materiały takie istnieją i nazywają się nadprzewodnikami. Niestety, w tej chwili nadprzewodnictwo występuje tylko w bardzo niskich temperaturach, lub pod bardzo wysokim ciśnieniem.
Źródła:
https://mashable.com/article/device-temperature-control/?europe=true
https://www.mpoweruk.com/thermal.htm