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Dall' elettrologia elementare sappiamo che una resistenza, attraversata da una corrente, genera calore per effetto Joule; questa potenza persa in calore dipende dalla tensione e dalla corrente (1):

Per la Legge di Ohm possiamo scrivere anche, in funzione della resistenza e della corrente/tensione (2):

E' evidente che un aumento dell' energia elettrica (corrente e/o tensione) determina una aumento dell' energia termica. Così pure, secondo la (2), a parità di resistenza, la potenza in calore sarà proporzionale al quadrato della corrente o della tensione.

Questo succede per qualsiasi componente di qualsiasi circuito elettrico: cavi, morsetti, resistori, transistor, MOSFET, diodi, LED e perfino i condensatori, dato che tutti esibiscono una certa resistenza più o meno grande e, attraversati da una corrente, sono soggetti ad un riscaldamento.

Alcuni circuiti sono specificamente progettati per generare calore: una stufa, un fornello, un asciuga capelli, un ferro da stiro. In questi oggetti la produzione di calore è lo scopo della realizzazione e i componenti sono dimensionati a questo fine.

Il calore, ad esempio nel ferro da stiro, è generato dalla conversione dell' energia elettrica in energia termica nella resistenza contenuta nella piastra stirante.

In generale, però, in un circuito elettrico o elettronico non specificamente previsto per riscaldare, il progettista sarebbe assai contento di poter evitare la dissipazione in calore di parte dell' energia assorbita dall' alimentazione. Infatti, oltre alla perdita di rendimento, il calore ha come effetto l'alterazione delle caratteristiche dei materiali e, se eccessivo, la loro distruzione. In particolare, i componenti elettronici, che sono costituiti da masse molto ridotte, sono particolarmente sensibili ad un eccesso di calore, che li danneggia irrimediabilmente. Si può anzi dire che:

l'affidabilità e la durata della vita di un qualunque dispositivo elettronico a semiconduttore è inversamente proporzionale alla temperatura raggiunta dal silicio.

Alcuni studi rilevano che una riduzione della temperatura di 5 °C o 10 °C origina un raddoppio della vita prevista del componente ed il contrario la dimezza. E' utile, quindi, mantenere più bassa possibile la temperatura.

Questo vale non solo per i semiconduttori, ma per qualsiasi materiale: quanto più "freddo" è il componente tanto più si vuole realizzare qualcosa di affidabile sulla lunga durata.

Spendiamo, allora, qualche parola per cercare di definire alcuni concetti collegati al calore.

Il calore

Secondo la Fisica il calore è "un trasferimento di energia termica tra un sistema e il suo ambiente a causa di una differenza di temperatura o di un cambiamento di fase". Dalla definizione, almeno, ricaviamo due importanti punti di partenza:

L' energia termica può passare da un corpo che ne ha in eccesso (corpo caldo) verso uno freddo, ovvero che ha meno energia disponibile.

Anche qui la tendenza generale della natura pare quella di ottenere una situazione di equilibrio.

Un accumulo di energia termica in un corpo ne aumenta la temperatura.

E la temperatura è il fattore con cui valutiamo quanto un corpo sia caldo o freddo, ovvero dotato di energia termica.

Va compreso bene che "caldo" e "freddo", al di là di sensazioni del tutto soggettive, vanno intese come situazioni energetiche relative. Acqua alla temperatura di 50°C sarà "calda" al tatto, ma decisamente fredda rispetto ad una fiamma, la cui temperatura arriva facilmente a 1000 e più gradi. "Scotta !" o "è caldo" non sono certo definizioni scientifiche, anche se è significative. A seconda della situazione della pelle, un corpo a 50-60°C ci dà l' impressione di una temperatura molto elevata, ma questi valori sono ancora ben lontani dalle temperature che possono raggiungere, ad esempio, vari componenti elettronici (75-100°C e più).
Così, in inverno, l' ambiente a 5°C lo riteniamo "freddo", mentre al polo si arriva tranquillamente a -40°C.

Occorre tenere ben presente che la sensazione di "caldo" o di "freddo" che si prova toccando un corpo è determinata non solo dalla sua temperatura, ma anche dalla sua conducibilità termica e da numerosi altri fattori individuali. Ad esempio, una mano abituata al lavoro manuale, avrà una pelle più spessa di quella di un bambino e percepirà meno bene il calore. E quella temperatura che per noi può essere ritenuta "molto calda", in altre situazioni è "molto fredda". Inoltre, entro certi limiti è possibile confrontare al tatto le temperature relative di vari corpi e dire se sono caldi, freddi oppure uno è più caldo dell' altro, ma è impossibile darne una valutazione assoluta.

E' anche impossibile dare valutazioni relative in molti casi, senza una adatta strumentazione: una superficie di metallo, a temperatura ambiente, darà un senso di minore calore di una superficie di plastica o legno. Eppure entrambe hanno la stessa temperatura dell' ambiente. La diversa sensazione deriva dalla diversa conducibilità termica dei due materiali: il metallo, buon conduttore termico, rende facile il passaggio del calore della pelle; la plastica, cattivo conduttore termico, no.
Quindi, nel primo caso, la pelle, che ha temperatura maggiore dell' ambiente, cede il suo calore al metallo, generando la sensazione di freddo (perdita del calore). Nel contatto con il materiale sintetico o il legno, la differenza di temperatura pelle-ambiente c'è sempre, ma il calore non riesce a passare dalla pelle all' oggetto in quanto esso oppone una forte resistenza al passaggio dell' energia termica. Dunque, noi non possiamo essere, con i nostri sensi, un sistema di riferimento per la temperatura, se non per quanto riguarda le condizioni di benessere fisiologico.

Nel valutare i fenomeni legati al "caldo" e al "freddo", dunque, occorre una certa attenzione, perchè ne possono far parte numerosi aspetti di non immediata individuazione: il calore ed i fenomeni ad esso collegati possono essere anche molto complessi e non immediatamente evidenti, ma con una certa chiarezza dei principi è facile comprenderli.

Dissipare il calore

Il calore