Co mają ze sobą wspólnego karton mleka i żarówka? Na pierwszy rzut oka niewiele. Jednak obydwa przedmioty łączy więź, której źródłem jest fizyczna zależność. To przez nią mleko nieschowane do lodówki szybciej przestaje być smaczne, zaś żarówka starego typu przepala się prędzej niż nowoczesne produkty.
Reklama
W uproszczeniu zależność ta sprawia, że im rzeczy są cieplejsze, tym prędzej się psują. I choć uczeni byli jej świadomi od setek lat, to jako pierwszy wyznaczył ją dopiero Svante Arrhenius, szwedzki fizyk i chemik, wyróżniony Nagrodą Nobla w 1903 r. – To dzięki tej zależności jesteśmy w stanie wyliczyć, czy żarówka, dzisiaj bardziej dioda LED, będzie nam służyła dwie godziny czy dwadzieścia tysięcy godzin – tłumaczy prof. Krzysztof Górecki z Uniwersytetu Morskiego w Gdyni.
Kluczowa w tym względzie jest więc możliwość dokładnego pomiaru temperatury, z jaką pracuje urządzenie (w tym wypadku chodzi o urządzenia oparte na półprzewodnikach). Takie dwa wynalazki opracował prof. Górecki wraz ze swoimi współpracownikami: prof. Januszem Zarębskim, dr. Pawłem Góreckim i dr. Przemysławem Ptakiem.

Nie trzeba rozbierać

Kiedy Arrhenius umierał w 1927 r., Gdynia była jeszcze raczkującym projektem, a zespół budynków, w których mieści się główny kampus uczelni prof. Góreckiego, nie istniał – oddano je do użytku trzy lata po śmierci noblisty. I chociaż nie można stąd dostrzec Bałtyku – ten przywilej ma tylko Wydział Nawigacji stojący na tym samym nabrzeżu co „Dar Pomorza” i ORP Błyskawica – to widać Sea Tower, najwyższy gmach mieszkalny w mieście. – A skąd go nie widać? – kwituje z przekąsem uczony.
W przeciwieństwie do oglądania budzącego mieszane uczucia budynku obserwacja procesów cieplnych zachodzących wewnątrz półprzewodników nie jest łatwa. Komponenty te rzadko kiedy występują „nagie”, a rozebranie oznaczałoby ich zniszczenie. – Taki układ może być np. zatopiony w żywicy. Jeśli go z niej wyjmiemy, pomiar nie będzie już przypominał realnych warunków pracy, bo ważna jest interakcja między półprzewodnikiem a otoczeniem. A my potrafimy zajrzeć do jego środka, nie rozbierając go – tłumaczy prof. Górecki.
Układy, o których mowa, zna praktycznie każdy z nas. Chodzi o diody LED, w których świecącym elementem jest właśnie półprzewodnik, oraz o układy przekształcania energii elektrycznej. Znajdziemy je m.in. w zasilaczach do laptopów, gdzie odpowiadają za zamianę prądu zmiennego (tego z gniazdka) na stały, "strawny" dla komputera.

Czego nie udało się przekształcić

Jak tłumaczy profesor, aparatura służącą do tych pomiarów bywa dość skomplikowana. Największą przewagą konkurencyjną nowej metody jest to, że mógłby ją z marszu obsłużyć praktycznie każdy absolwent technikum. Bazuje ona na pomiarze napięcia – i to na powszechnie stosowanym sprzęcie laboratoryjnym. – To jednak wystarczy do tego, żeby dokładnie wyliczyć temperaturę elementów półprzewodnikowych – tłumaczy uczony.
To pomiar napięcia i wzory matematyczne sformułowane przez zespół badawczy umożliwiły zajrzenie w głąb urządzeń opartych na półprzewodnikach bez konieczności ich rozbierania: temperaturę mierzy się między dwoma ściśle określonymi punktami, czyli np. na wejściu i na wyjściu – i na tej podstawie dopiero wnioskuje z dużą dokładnością, co dzieje się w środku.
Dioda LED przekształca energię elektryczną w światło. Układ sterowania mocą zmienia np. prąd zmienny na prąd stały. W obydwu procesach mamy do czynienia ze stratami, które objawiają się pod postacią ciepła. Teraz wchodzimy na scenę my: naszym zadaniem jest oszacować, ile jest energii, której nie uda się efektywnie przekształcić, a następnie tak zaprojektować cały element, aby skutecznie odprowadzić ciepło i żeby nie skracać czasu życia elementu – tłumaczy prof. Górecki.

Z ośmiu do jednego

Teraz widać, przed jakim wyborem stoją producenci elektroniki. Wiedzą, jak podczas pracy nagrzewa się np. dioda LED; wybierając układ chłodzący, są więc w stanie sterować również długością jej życia (o ile oczywiście założymy, że droższy będzie taki układ, który odprowadzi więcej ciepła). – Mówimy o bardzo wymiernych wielkościach. Przypuśćmy, że wzrost temperatury o 8 stopni Celsjusza skróci czas życia urządzenia o połowę, ale już o 24 stopnie – do jednej ósmej. A to jest różnica między ośmioma tysiącami godzin działania bez awarii a tysiącem – tłumaczy profesor.
Dlatego naukowcy od dawna mierzą się z procesami cieplnymi zachodzącymi wewnątrz różnych materiałów. Żeby jednak zadanie nie było zbyt proste, procesy te nie zachodzą w liniowy sposób. To znaczy, że jeśli zwiększymy moc urządzenia o jeden wat, to temperatura wewnątrz wzrośnie o 10 stopni Celsjusza, ale jeśli dodamy jeszcze jeden wat mocy, to temperatura wzrośnie o inną wartość, np. 9 lub 11 stopni.
Podczas projektowania układów elektronicznych przy zastosowaniu komputera rozwiązywane są złożone układy równań nieliniowych, co wymaga dużej mocy obliczeniowej, dlatego naukowcy od lat opracowują "skróty", to znaczy takie ich uproszczenia, dzięki którym liczenie trwa krócej, a jednocześnie uzyskuje się bardzo dobre przybliżenia rzeczywistych wyników. Takie, z którymi mogą pracować inżynierowie – mówi prof. Górecki. Doświadczenie w pracy z takimi modelami okazało się nieocenione również przy opracowywaniu opisanych wyżej wynalazków. Aby lampy LED mogły świecić jak najdłużej.