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Una costante durante tutti i 12 mesi dell'anno, ma ovviamente nei mesi estivi si fa sentire maggiormente. I dispositivi elettronici producono calore: è sufficiente tenere la mano per qualche secondo sulla paratia esterna di un computer desktop o sulla base di un laptop per rendersene conto. A spiegare come si genera è un principio fisico scoperto nella prima metà del XIX secolo e noto a tutti con il nome di Prima legge di Joule o Effetto Joule.
Cos'è il calore
Prima di capire cos'è a generare il surriscaldamento del nostro computer o del nostro smartphone, però, vale la pena soffermarsi su cosa sia il calore. In termini fisici, il calore è definito come il rilascio di energia da parte di un sistema fisico causato dal movimento, su scala microscopica, degli elementi che lo compongono. Ad esempio, quando si poggia un tegame o una teiera contenente dell'acqua su un fornello non si fa altro che trasferire energia ? sotto forma di calore prodotto dalla fiamma o dal fornello a induzione ? al sistema fisico composto dal recipiente e dall'acqua. Questo trasferimento di energia si concretizza, a livello molecolare, in un aumento del moto delle particelle che lo compongono.
L'energia così assorbita è poi, oltre un certo valore limite, dissipata nell'ambiente circostante sotto forma di calore: ciò accade perché, in natura, i sistemi fisici tendono a restare in uno stato di quiete, durante il quale i movimenti atomici e subatomici delle particelle che compongono il sistema stesso sono ridotti al minimo. Quando un sistema in stato di quiete è modificato ? fornendo, ad esempio, energia tramite una fonte esterna ? esso tende a ristabilire l'equilibrio interagendo con l'ambiente circostante dissipandovi (scambiando) energia. Nel caso della teiera, l'energia che arriva dalla fonte di calore, è dispersa nell'ambiente circostante sempre sotto forma di calore.
L'effetto Joule
La Prima legge di Joule descrive il fenomeno della produzione di calore legata al passaggio degli elettroni (corrente elettrica) attraverso un materiale conduttore (cosa che accade nei circuiti elettrici che compongono i processori, le GPU e i SoC e che, in ultima analisi, provoca il surriscaldamento dei computer e degli smartphone).
L'effetto è descritto dalla formula
Q = R * i² * t
dove "Q" è la quantità di calore prodotto (espresso in Joule o calorie), "R" è la resistenza elettrica del materiale attraversato dalla corrente ( espressa in Ohm), "i" rappresenta l'intensità di corrente (espressa in Ampere) e infine "t" indica la frazione di tempo (espressa in secondi) presa in esame.
Vale la pena sottolineare che il prodotto della Resistenza elettrica (R) del sistema per il quadrato dell'Intensità di corrente (i) che lo attraversa viene definita Potenza elettrica (P) e viene espressa in un'unità di misura che dovrebbe esserci ben nota: i Watt (W).
Così, ad esempio, in un sistema caratterizzato da una Resistenza elettrica di 2,5? (Ohm), attraversato da un'Intensità di corrente di 2A (Ampere) - corrispondenti ad una Potenza elettrica totale di 10W (Watt) - per un tempo di 10 secondi, produrrebbe una quantità di calore corrispondente a 2,5*4*10 = 100J (Joule).
Per fare un altro esempio pratico, si prenda il caso di un sistema elettrico composto da una batteria e un piccolo circuito composto da alcuni fili elettrici e da un piccola lampadina a incandescenza. Inserendo la batteria nel suo slot, la carica di elettroni che contiene comincia a fluire dal polo negativo verso il polo positivo a causa della differenza di potenziale sussistente tra i due poli (espressa solitamente in Volt). Nel loro cammino attraverso il circuito ? composto, come detto, da cavi di rame e una piccola lampadina ? gli elettroni incontrano vari ostacoli sotto forma di atomi e impurità a livello atomico presenti nei materiali che compongono il sistema stesso.
Si tratta della cosiddetta resistenza elettrica "R" (misurata in Ohm) e indica la tendenza di un corpo a opporsi al passaggio di una corrente elettrica al suo interno. Nel nostro esempio, la resistenza massima si incontra proprio nel filamento che consente alla lampadina di produrre luce: in questo tratto gli elettroni della corrente elettrica, scontrandosi con le impurità che compongono il filamento, rallentano e cedono parte della loro energia cinetica agli atomi che costituiscono il filamento metallico. Così surriscaldato, il filamento diventa incandescente e inizia a sua volta a dissipare l'energia accumulata sotto forma di impulsi luminosi (fotoni), illuminandosi.
Questo esempio illustra un caso in cui la resistenza elettrica del sistema viene appositamente resa più elevata possibile, allo scopo di utilizzare l'effetto Joule per illuminare un ambiente (un altro esempio del genere potrebbe essere quello di una stufa elettrica, utilizzata per riscaldare); in generale, però, nei circuiti elettrici dei nostri sistemi informatici l'effetto Joule rappresenta soltanto un'inutile, e a volte dannosa, perdita di energia.
La legge di Joule nei dispositivi elettronici
Il fenomeno fisico descritto ? dispersione di calore a causa della resistenza elettrica del sistema- avviene in tutti i circuiti che compongono i tanti dispositivi elettronici che abbiamo in casa. L'energia della batteria ? o dell'alimentatore, a seconda del device preso in analisi ? è in gran parte utilizzata per alimentare le varie componenti, ma in parte è dissipata sotto forma di calore a causa della resistenza elettrica opposta al passaggio della corrente elettrica da parte dei cavi di rame e dalle altre componenti interne.
Si pensi, ad esempio, a un tipico sistema informatico: il processore, la scheda madre, le RAM e la GPU producono più o meno calore a seconda dei carichi di lavoro che sono chiamati a svolgere. Il consumo energetico, infatti, cresce all'aumentare della potenza di calcolo, e quindi dell'intensità di corrente, richiesta (è sufficiente monitorare la scheda madre, CPU, la GPU, o il disco rigido per rendersene conto) e, conseguentemente, aumenta la temperatura interna dei componenti. Per evitare che il surriscaldamento del computer ne comprometta la piena operatività, sono stati sviluppati diversi sistemi di raffreddamento: ad aria (ventole), ad acqua (con ricircolo continuo, per garantire un miglior dissipamento) e passivo (grazie a materiali speciali che dissipano velocemente il calore).
Grandi sforzi sono stati prodotti, nel tempo, per rendere minima questa perdita di energia, migliorando sempre di più i circuiti elettrici diminuendone la Resistenza (attraverso l'utilizzo di materiali sempre più puri o materiali particolari, spesso pregiati, come l'oro) oppure riducendone le necessità energetiche (agendo quindi sull'Intensità di corrente necessaria per il loro funzionamento).
Più recentemente, diversi centri di ricerca si sono concentrati sullo studio dei sistemi di alimentazione e sul funzionamento dei circuiti integrati per tentare di sfruttare, piuttosto che combattere, l'effetto Joule. Il gruppo di studio della caloritronica del CNR di Pisa ne è un ottimo esempio.
