İletkenler ve yarı iletkenlerdeki ısı oluşumu. (BİLİMSEL TARTIŞMA)

Uzun süredir kafamı kurcalayan ısı oluşum konusunu, bilgili arkadaşlarla tartışmak istiyorum.
Ölçümlerin laboratuar ortamlarında yapılabilmesi, buna rağmen son derece zor olan bu konu, bazı kurallar doğrultusunda işlenebilmektedir. Bu sebeple tartışmaya açmayı uygun görmekteyim.
Tartışma için örnek bir devre oluşturulmuş olup, tüm etkenler ve değişkenler, tartışmaya açıktır.
Her türlü olasılık değerlendirilip tartışılabilir.
Amaç, teorik olarak aynı güç miktarının, iletkenler üzerinde mi yoksa yarı iletkenlerde mi daha fazla ısı meydana getirdiğinin ölçümü ve ispatıdır.
ÖRNEK ŞEMA.

Sembolik olarak çizilmiş bu şemada bir iletken (R1) ve bir yarı iletken (U1 7810) üzerinde eşit güç düşümü yapılmıştır.

• Hangi eleman daha fazla ısınır. NEDEN?
• Bir elemanın ısı faktörü hangi değerlere bağlıdır? Bu değerleri değiştirerek örnek oluşturabilirsiniz. Elemanlar üzerinde düşen güç faktörü değiştirilemez. Her iki eleman üzerinde eşdeğer güç olmalıdır.
  
• Oluşan ısı teorik olarak eşittir. Gerçek bir ispat için, her iki elemanın tam tecritli bir ortam içerisine alınarak eşdeğer koşullarda ölçümü gerçekleştirilebilmelidir. Ancak elemanların teknik özelliklerinin değişmesi ile, üzerlerinde meydana gelen ısının hesaplanması ve ölçülebilmesi gerekmektedir.

• En fazla ısı elde edilmesi koşulları nelerdir.

Konuya ilgi duyan tüm arkadaşlar tartışmaya katılabilir ve konumuza renk katabilir.

Hocam iç direnci ne ise o kadar ısı çıkmalı silisyum bakır gibi iyi iletken değildir.

Eğer harcanan güç ile çıkan ısı farklı olsa o zaman free energy olaylarına girmiş oluruz.

Enerji yoktan var edilemez vardan yok edilemez.

Olaya harcanan güç açısından bakarsak, 7810 ve direnç üzerinde harcanan güç aynıdır (7810'un 2 numaralı terminalinden geçen akımı ihmal ediyoruz). Her ikisinin üzerinde aynı voltaj düşüyor, her ikisinden de aynı akım geçiyor.

Ama oluşan ısı miktarına bakarsak, şöyle düşünmek lazım: Her ikisinde de harcanan güç ısıya dönüşecek. Ama her birisinin santigrat olarak sıcaklığı, oluşan ısının uzaklaştırılması için birşey yapılıp yapılmadığını, ve bu uzaklaştırmanın ne kadar iyi yapıldığına bağlı. İkisine de uygun boyutta soğutucu bağlarsınız, ikisi de fazla ısınmaz. Sadece birine bağlarsınız, o ısınmaz diğeri çok ısınır. İkisine de soğutma yapmazsınız, ikisi de fazla ısınır.

Konuya el atayım.
Teorik olarak 20W güç harcıyoruz. Bu gücü eşit olarak iki elemana paylaştırıyoruz.
Birisi yarı iletken, diğeri iletken.
Tek bir şeyi kesin belirtebiliriz. Her iki elemanda da 10W lık güç harcanmaktadır. Ancak hangi elemanın hangi özelliğini değiştirirsek elde etmiş olduğumuz ısı miktarı artacaktır.
Önce R elemanın ile oynayalım.
100W gücünde bir eleman olsun. Mutlaka bir ısı oluşacaktır. Ama bu ısı ölçemeyeceğimiz kadar küçük olabilir.
Sonra bu gücü 10W'a indirelim. Belki ölçebileceğimiz seviyede ısı oluşacaktır.
Direncin güçünü düşürürsek elebette daha fazla ısınacak, tahammül edemezse yanacaktır. O halde ilk iddia.
5W lık metal dirençlerden kullanıp, bir soğutucu takarsak, elde edeceğimiz ısı, (Dışarı atılan ısı) 5W mı olacaktır? Soğutucu gücüne göre elde edilen ısı derecesi değişecektir. Ama dışarı atılan yani elde edilen ısı değişmeyecektir...
Amanın ne oldu. 10W güç harcadık ama 5W ını kurtarabildik. Yani elde edebildik. Dilersek biryerlerde kullanabiliriz.
Bu konu bir tartışma konusu olduğu için ben bir olasılık üzerine değindim. Sizler de bu tür olasılıklarla bazı idddialarda bulunabilir, mümkünse ölçülebilir, kanıtsal yönergelerle konuya renk katabilirsiniz.

Konuya bende aday yamyam olarak katilmak isterim. Telefondan yazmak zor olsada deginecegim iki olgu var.

Biri isi kavrami biri sicaklik kavrami.

Mesela bir bardak bocuklu cay ile bir okyanus suyunu ele alalim. 1 bardak bocuklu cayin sicakligi 100 C derecedir ama isisini hesaplarsak su an hesaplayamiyorum ama diyelimki 100 kaloridir. Simdi gelelim okyanusa okyanusun sicakligi bir bardak suyun sicakligindan dusuktur ancak okyanusun enerjisi yani isisi bardaktan daha yuksektir milyonlarca kalori yapar.

Bu iki olgu kimi zaman karistirilir.

Mesela hava durumu anlatilirken bu gun hava isisi 29 derece degildir havanin sicakligi 29 derecedir. Sicakligin birimi santigrat fahrenat yada kelvin olabilir ama isinin birimi kalori watt yada joule olabilir.

Simdi direncin ve voltaj regulatorumuzun isi ve sicaklik değerlerine bakalim.

Guc hesabini yaptigimizda 20 volt giris ve kol uzerinde 1 amper akim hesaplaniyor. Guc regulatoru 10 volt voltaj dususu ve direnc uzerindede 10 volt paylasiyorlar. Gucler ise ikisi 10 watt guc harciyor.

Yani iki parca esit ısı yayiyor. Ama iki komponentin boyutlari farkli oldugu icin ayni sicaklikta olmayacaktir bunun nedeni isiyi yayayn yuzey alanlari esit olmadigi icin ayni isiyi disari transfer eden parca tanistirayim burada direnc oluyor daha yuksek sicakliga cikmaliki uzerinden ayni miktarda isi transferi saglasin.

Bir kalem havyanin yaydigi 40 watt isi ile 350 °C ye ulasip lehimi eritirken lineer bir regulasyonda bir guc transistorunun harcadigi gu yine 40 watt olsun ama yuzey alanini cogalttigimizda ciktigi maksimum sicaklik daha dusuk kaliyor 50 - 60 ° C civarlarinda kalmasi gibi.

Saygilarimi sunar yamyamlik adayligimin kabulunu arz ederim. Istenen raporu bakirkoy ruh ve sinir hastaliklari hastanesinden heyete girerek almis bulunmaktayim.

Şiddetle beğendim @serkan_48 gardaş
Ben anlatımımda hata yapmış olabilirim. Çünkü sıcaklık ile ısı kavramlarını biliyor ama anlatamıyordum. Isı'nın ölçülemediğini ve depolanamadığını biryerlerde okumuş olsam da, peşin inanmak yerine bu gibi araştırmalarla kesinleştirmeye çalışıyorum.
Şimdi sana destek olarak şu öneriyi getireyim.
Her iki elemanı da aynı büyüklükte birer soğutucuya bağlayalım. Soğutucular ve elemanların temas yüzeyleri mümkün olduğunca eşdeğer olsun. Haliyle soğutucular da birbirlerinin tıpkısı olsunlar.
Sonra bu iki elemanları soğutucuları ile birlikte, tamamen kapalı ve tecrit edilmiş iki ayrı kutucuk içerisine koyalım. Öyle tecrit edilmiş olsun ki, 1'C lık ısının yayılabilmesi için bile birkaç saatten fazla süre gereksin.
Her bir kutucuk içerisinde özel sensorlarımız ve içerdeki havanın sıcaklığını ölçebilecek düzeneğimiz olsun.
GENEL TEORİLER:
1 Her iki elemanı da aynı anda açıp kapatarak bölmelerdeki sıcaklıkları takip edelim.
2 Ölçümümüz içerdeki tecrit edilmiş havanın sıcaklığı olacağı için, en azından hangi ekipmanın daha önce içerdeki havayı ısıttığını (Sıcaklığını yükselttiğini) görebilirmiyiz.
3 Yukarda bahsetmiş olduğum üzere elemanların bazı özelliklerini değiştirirerek, ısı transferinin hızlandırılmasının (Mümkün ise) sağlanarak uç noktalarda deneyler yapılması.
4 Örneğe bir öneri ile daha gelirsek, R elemanının maddesi değiştirilerek elde edilen ısının yükseltilmesinin sağlanabilmesi gibi. Ne yazık ki yarı iletken üzerinde fazlaca değişiklik hakkımız bulunmamaktadır. Ancak farklı özelliklerde yarı iletkenler kullanılarak daha fazla ısının dışarı verilebilmesi (Olası ise) ne gibi avantaj veya dezavantaj sağlayabilecektir.

Sıcaklık bildiğimiz üzere termometre ile , ısı ise kalorimetre ile ölçülebilmektedir.

1-) Aynen açıp takip edelim.
2-) Evet görebiliriz.
3-) Isı transferinin hızlandırılmasının iki etkeni vardır. Biri ısıtıcı elemanının sıcaklığının artırılması , ikincisi ısı transfer yüzeyinin artırılması ortamın ısıtılmasında hızı etkileyen etmenlerdir.

Bu konuyu şöyle düşünün bir kalorifer tesisatında bağlanan radyatörlerde pp - pkp pkkp türü Panel radyatörler mevcuttur. pkkp nin açılışı panel kollektör kollektör paneldir. Bu konuda isterseniz ayrıca bilgi verebilirim. kollektörler ısı yüzeyini arttıran kanatçıklardır. Yüzey arttırıldıkca ısı transferide artmaktadır.

4-) Tamda bu bahsettiğiniz konuyu bir süredir bende düşünmekteyim.

Açıklamak istersem mesela elimizde sabit akım ve belli bir gerilimde yani güçte enerji veren güç kaynağımız olsun. Bu güç kaynağına bağlayacağımız yük olarak çeşitli materyallerden oluşsun. Giriş gücümüz sabit olacak mesela 12 volt 10 amper 120 watt. Bu güç kaynağımıza rezisif bir yük bağladığımızda normalde 120 watt ısı enerjisi almamız gerekiyor ama benim merak ettiğim konu şu her maddenin üzerinden bu güçte akım ve gerilimi geçirdiğimizde aynı ısı yükünümü almaktayız bunu merak ediyorum.

Mesela bakırdan yaptığımız bir yük ile karbondan yaptığımız bir yük aynı ısıl gücü vermektemidir merak ediyorum.

Tamamen tecrit edilmiş birbiri ile özdeş mahal ortam oluşturalım. Bu iki parça biri direnç biri 7810 voltaj regülatörümüzü bu iki ortamlara yerleştirelim. iki ortam eşit şartlarda deneye başlayalım. Örneklersem mesela 20 C derecede deneye başlayalım ve iki parça çeoride 10 watt atık ısı oluşturduğunu hesaplamıştık. Deney sonucunda süre tamamlandığında iki ortamın sıcaklığıda 10 watt ısının verdiği değer kadar yükselmiş olacaktır. yami 20 C derecede başlayan deney misal 27 C derecede son bulacaktır.

Konu içeriğimiz TARTIŞMA olduğu için @serkan_48 'ı dövmemde sakınca yoktur
(Bilgili kişileri dövmeyi severim)
Tüm bahsetmiş olduğun maddeler bilimsel ve akla yatkın Serkan.
Konunun esas amacına gelerek örnek ile pekiştirmek istiyorum.
R direnç değerini 10ohm 100W olarak değiştirdik ve kapalı ortamda test ettik.
Sence hangi bölgenin sıcaklığı daha fazla artar?
Yarı iletken bölgesi mi direnç bölgesi mi?
İşte konumuzun esas içeriği budur.
Enerjinin ısıya çevrimi sözkonusu olduğundan, ciddi fizik bilgilerine ihtiyacımız vardır.
Yarı iletkenler haricinde de özel meteryal bilgilerinin iletim ve ısı bilgileri de konumuzla doğrudan ilişkilidir.
Teorik olarak aynı güç miktarı kullanmamız sadece iki farklı maddeyi kıyaslamamız içindir.
DİKKAT:
Yukarda belirtmiş olduğum üzere 7810 ve direncin soğutucu yüzeyleri mümkün olduğunca eşdeğer olarak alınmıştır. Ayrıca soğutucuların teknik karakteristikleri ve fiziksel özellikleri de bire bir aynıdır.
Dolayısı ile 10W lık eşit güç harcamasında, ne kadarlık bir ısı artışı (Süre de önemidir) sağlayabileceğiz.

"R direnç değerini 10ohm 100W olarak değiştirdik ve kapalı ortamda test ettik. Sence hangi bölgenin sıcaklığı daha fazla artar?"

Bu sorunun cevabi aslinda fizik kurallari cercevesinde incelemek gerek. Her maddenin bir isi iletim katsayisi varir. Bu sayi dusukse isi yavas yuksekse hizli iletilir. Nihayetinde elimizde iki adet farkli materyal mevcut. Bu iki maddenin iletim katsayisi farkli. Bu fark iki materyalin cikacagi ust sicakligi degistirecektir.

Ikinci nokta yukarida bahsettigim konuyla ilgili sunu soyleyebilirim iki urunler farkli olunca isinma hizlari farkli olacak ama oyle cok aman aman buyuk hizlar olmayacak. Uzerlerinden gecen guc ayni olduğu icın son noktada ortam sicakliklari esit olacak.

"Enerjinin ısıya çevrimi sözkonusu olduğundan, ciddi fizik bilgilerine ihtiyacımız vardır"

Evet bu konuda hemfikirim. Her maddenin uzerinden enerji gectiginde ne kadar isi yaydigini bende merak ediyorum. Aalinda bununla ilgili belki arastirmalar yapilmistir bizde arastirmamiz lazim.

ÖZEL EK:
Konumuz DEDİKODU literatüründe yer almış olup, Ekran görüntüsü aşağıdadır

Konuya ilgi duyan bilgili arkadaşların katılımını bekliyoruz.

serkan_48' Alıntı:

"R direnç değerini 10ohm 100W olarak değiştirdik ve kapalı ortamda test ettik. Sence hangi bölgenin sıcaklığı daha fazla artar?"

Bu sorunun cevabi aslinda fizik kurallari cercevesinde incelemek gerek. Her maddenin bir isi iletim katsayisi varir. Bu sayi dusukse isi yavas yuksekse hizli iletilir. Nihayetinde elimizde iki adet farkli materyal mevcut. Bu iki maddenin iletim katsayisi farkli. Bu fark iki materyalin cikacagi ust sicakligi degistirecektir.

Ikinci nokta yukarida bahsettigim konuyla ilgili sunu soyleyebilirim iki urunler farkli olunca isinma hizlari farkli olacak ama oyle cok aman aman buyuk hizlar olmayacak. Uzerlerinden gecen guc ayni olduğu icın son noktada ortam sicakliklari esit olacak.

"Enerjinin ısıya çevrimi sözkonusu olduğundan, ciddi fizik bilgilerine ihtiyacımız vardır"

Evet bu konuda hemfikirim. Her maddenin uzerinden enerji gectiginde ne kadar isi yaydigini bende merak ediyorum. Aalinda bununla ilgili belki arastirmalar yapilmistir bizde arastirmamiz lazim.

Genişletmek için tıkla ...

Isı iletim katsayısının konumuzla ilgisi yok Serkan gardaş.
Konumuzun özü ISI OLUŞUMU'dur.
Hangi koşullarda Elektrik enerjisi ısıya dönüştürülmektedir?
Hangi meteryallerde ısı oluşumu yüksektir. İletkenler mi yarı iletkenler mi?
10W örnek verdiğimiz direncin gücünü 100W a çıkartırsak, üzerinde oluşacak ısı teorik olarak daha az olacaktır. Direncin gücünü 5W yaparsak daha fazla ısınacaktır.
Buraya kadar hemfikiriz sanırım.
Direncin dayanma gücünü içerdiği madde belirlemektedir. Karbon bir direnç en fazla 60'C a kadar ısınabiliyorsa, TUNGSTEN ile yapılmış bir direnç yanlış hatırlamıyorsam 1000'C a kadar ısınabilmektedir.
Günümüz yarıiletkenleri ise 3 grupta incelenmektedir.
1 Amatör (Ticari) 60-70'C
2 Endüstiryel 80-90'C
3 Askeri. 125-150'C (Yanlış hatırlamıyorsam)
Bir madde üzerinde oluşan ısı miktarını ölçemediğimize göre, örnek sıcaklık değeri alarak konumuzu araştırabiliriz.
Örnek sıcaklık değerimiz 50'C olabilir.
Ortam sıcaklıkları eşdeğer olmak zorunda olduğu için, herhangi bir değer baz alınabilir. Bu değer elbette ki oluşturmak istediğimiz sıcaklık derecesinin (50'C) üzerinde olamaz.