چرا لوازم الکترونیکی هنگام استفاده داغ می‌شوند

وسایل الکترونیکی جزئی جدانشدنی از زندگی امروزی ما شده‌اند و با استفاده از لپ‌تاپ‌‌، تلفن‌ هوشمند یا تبلت ساعت‌ها به وب‌گردی، بازی و گپ زدن با دوستانمان می‌پردازیم. احتمالاً خیلی از ما متوجه شده‌ایم که این گجت‌ها پس از مدتی استفاده، کم‌کم داغ می‌شوند. داغ شدن وسایل الکترونیکی گاهی می‌تواند عواقب جدی در پی داشته باشد. وب‌سایت‌ها و ویدیوهای یوتیوب زیادی وجود دارند که بعضی از آن‌ها روش‌های مطمئن و بعضی راهکارهای غیر عقلانی و نادرستی برای کاهش دمای گجت‌ها پیشنهاد می‌کنند. صرف نظر از پیدا کردن بهترین روش برای خنک کردن دستگاه‌، آیا تاکنون به این فکر کرده‌اید که علت داغ شدن وسایل الکترونیکی چیست؟

اگر تابه‌حال در مورد این موضوع کنجکاو شده و برای یافتن پاسخ آن در گوگل جستجو کرده باشید، احتمالا با پاسخ‌هایی مثل مسدود شدن پورت‌های تهویه توسط گردوغبار یا عملکرد نادرست فن و خنک‌کننده مواجه شده‌اید؛ اما متأسفانه این پاسخ‌ها، علت صحیح داغ شدن گجت‌ها را توضیح نمی‌دهند. در این مقاله قصد داریم شما را با چرایی تولید حرارت گجت‌ها آشنا کنیم؛

علت داغ شدن دستگاه‌های الکترونیکی

طبق قانون دوم ترمودینامیک، امکان ندارد موتور حرارتی یا دستگاهی با کارایی ۱۰۰٪ وجود داشته‌ باشد؛ بلکه همواره مقداری از انرژی به‌صورت گرما تلف می‌شود. به‌عنوان مثال، نمی‌توانیم اتومبیلی داشته باشیم که تمام سوخت خود را صرف حرکت کند و همیشه مقداری از این سوخت به‌صورت انرژی‌های دیگری مثل گرما تلف می‌شود.

تا اینجا می‌دانیم که هرگاه انرژی به مصرف برسد، مقداری از آن به شکل گرما تلف می‌شود. از آنجا که لوازم الکترونیکی از انرژی‌ استفاده می‌کنند و باعث تولید حرارت اتلافی می‌شوند، نیاز دارند به‌ شکلی خنک شوند. معمولاً حرارت ناشی از دستگاه‌ها به وسیله‌ی فن‌ها به خارج از سیستم هدایت می‌شود.

تقریباً تمام مدارهای الکترونیکی برای محدود کردن جریان الکتریکی شامل «مقاومت» هستند. مقاومت باعث می‌شود قسمت‌های حساس سیستم مانند پردازنده‌ و ماژول رم بتوانند مقدار مناسبی جریان الکتریکی دریافت کنند. دریافت بیش‌از‌حد جریان الکتریکی باعث مختل‌ شدن عملکرد صحیح قطعات و خراب شدن دستگاه خواهد شد. آن مقدار انرژی‌ که در مقابل جریان یافتن آن به یک قطعه، مقاومت شده است، باید به‌گونه‌ای مصرف شود؛ بنابراین به شکل حرارت درمی‌آید و تلف می‌شود.

در لوازم الکترونیکی جدید، تعداد ترانزیستورها بسیار زیاد است و همین امر باعث تولید بیشتر گرما می‌شود. پردازنده‌ها از میلیاردها ترانزیستور کوچک تشکیل شده‌اند که برای اجرای برنامه‌ها، خاموش و روشن (۰ و ۱) می‌شوند. از آنجایی‌ که پردازنده‌ها در هر ثانیه چند میلیارد چرخه را طی می‌کنند، این ترانزیستور می‌توانند گرمای قابل توجهی تولید کنند. هرچه کاری که با سیستم انجام می‌دهید، سنگین‌تر باشد (بازی کردن و ویرایش ویدئو)، ترانزیستورهای بیشتری نیاز به تغییر وضعیت دارند و در نتیجه گرمای بیشتری در دستگاه ایجاد خواهد شد.

برای درک بهتر این موضوع بهتر است بیشتر وارد مباحث فیزیکی شویم. باید بدانید که دما، اندازه‌گیری میانگین انرژی جنبشی کلیه ذراتی است که ماده را تشکیل می‌دهند. ذرات موجود در یک جسم گرم نسبت به یک جسم سرد، از میانگین انرژی جنبشی ​​بالاتری برخوردار هستند.

در یک روز سرد زمستانی وقتی از خانه خارج می‌شویم، احساس سرما می‌کنیم؛ زیرا مولکول‌هایی که پوست ما را تشکیل می‌دهند در اثر تماس با هوای سرد، انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند. از طرف دیگر مولکول‌های پوست ما در تماس با هوای گرم تابستان انرژی می‌گیرند و احساس گرما را به ما القا می‌کنند.

تا اینجا متوجه شدیم که حرکت اتم‌ها باعث تولد انرژی گرمایی می‌شود؛ اما این موضوع چگونه با حرارت تولیدشده در گجت‌های ما مرتبط است؟

فلزات و نیمه‌هادی‌ها، مواد تشکیل‌دهنده ابزارهای الکترونیکی هستند که در آن‌ها برخی از الکترون‌ها از اتم‌ها جدا می‌شوند. هنگامی‌که دستگاهی را روشن می‌کنیم، نیروی الکتریکی ایجادشده توسط باتری، الکترون‌ها را به حرکت سوق می‌دهد و اطلاعات را از یک جزء به جزء دیگر می‌رساند و برای مثال، باعث تولید تصاویر و صداها می‌شود. وقتی الکترون‌ها در فلزات یا نیمه‌هادی‌‌های یک دستگاه‌ الکترونیکی حرکت می‌کنند، برخورد با یون‌های جامد اجتناب‌ناپذیر است. به میانگین مسافتی که الکترون می‌تواند بین دو برخورد متوالی طی کند، مسیر آزاد متوسط گفته می‌شود که طی آن الکترون‌ها شتاب می‌گیرند و انرژی بیشتری به دست می‌آورند‌.

هنگام برخورد، الکترون‌ها انرژی به‌دست‌آمده از میدان الکتریکی (E) را به یون‌های مثبت منتقل می‌کنند و آن‌ها را با شدت بیشتری می‌لرزانند؛ در نتیجه‌ی افزایش انرژی جنبشی یون‌ها، حرارت بالاتر می‌رود و جسم جامد داغ‌تر می‌شود. در حقیقت چنین برخوردهایی دلیل مقاومت الکتریکی ماده است. مقاومت جسم و مقدار برخوردها رابطه‌ی مستقیم دارند؛ پس هرچه تعداد برخوردها بیشتر شود، مقاومت ماده بیشتر می‌شود.

علت اینکه بعضی از دستگاه‌ها بیشتر از دستگاه‌های دیگر  داغ می‌شوند مستقیماً به قدرت پردازش آن‌ها مربوط می‌شود. تمام قطعات الکترونیکی تا حدودی گرما تولید می‌کنند. بعضی از قطعات به خودی خود گرمای بسیار کمی تولید می‌کنند؛ اما وقتی با عناصری مانند پردازنده‌ها و تراشه‌های گرافیکی ترکیب شوند، مقدار کل حرارت تولیدی می‌تواند قابل توجه باشد. فرآیندهای پس‌زمینه یکی دیگر از منابع گرما هستند که هنگام استفاده‌ از سیستم، به‌طور مداوم اجرا می‌شوند.

یکی از دلایل بالا رفتن حساسیت دستگاه‌های مدرن به گرما و داغ شدن بیشتر گجت‌ها، کاهش اندازه و نازک شدن آن‌ها است. با کوچک شدن ابعاد نه‌تنها فضای کمتری برای جریان هوا و خنک شدن دستگاه وجود دارد، بلکه اجزای سازنده به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند‌ و این بدان معنی است که انتقال گرما در بین اجزای دستگاه، با سرعت بیشتری صورت می‌گیرد. ایجاد طراحی زیبا که به‌راحتی حرارت زیادی تولید نکند، یک کار تیمی است که نیاز به همکاری چندین بخش طراحی از جمله تیم‌های طراحی صنعتی و مهندسی حرارت دارد.

علاوه بر عناصر بالا فاکتور‌های دیگری چون حسگرهای دما در تمام اجزای داخلی و همچنین در کیس خارجی، بار CPU و GPU‌، سرعت فن و باتری در مقدار تولید حرارت دخیل هستند.

اگر بخواهیم مشکل ایجاد حرارت در وسایل الکترونیکی را به‌کلی از بین ببریم‌، به ماده‌ای نیاز داریم که در آن الکترون‌ها کاملاً آزادانه و بدون برخورد به هیچ یون دیگری وجود داشته باشند. در واقع چنین ماده‌ای وجود دارد که به آن ابررسانا گفته می‌شود. ابررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی، مقاومت الکتریکی ماده دقیقاً برابر با صفر می‌شود و ماده کاملاً خاصیت دیامغناطیسی پیدا می‌کند؛ یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. متأسفانه در حال حاضر خاصیت ابررسانایی فقط در دماهای بسیار پایین وجود دارد.