الهروب الحراري

يُظهر السيليكون خصائص فريدة، إذ تزداد مقاومته الكهربائية مع ارتفاع درجة الحرارة حتى حوالي 160  درجة مئوية، ثم تبدأ بالتناقص ، وتستمر في الانخفاض عند بلوغ نقطة الانصهار. قد يؤدي هذا إلى ظاهرة الهروب الحراري داخل المناطق الداخلية لوصلة أشباه الموصلات ؛ حيث تنخفض المقاومة في المناطق التي ترتفع درجة حرارتها فوق هذا الحد، مما يسمح بتدفق تيار أكبر عبر هذه المناطق، وبالتالي زيادة التسخين مقارنةً بالمناطق المحيطة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض المقاومة. ينتج عن ذلك ظاهرة ازدحام التيار وتكوّن خيوط تيار (شبيهة بظاهرة احتكار التيار، ولكن داخل الجهاز الواحد)، وهي أحد الأسباب الرئيسية للعديد من حالات فشل وصلات أشباه الموصلات .

يزداد تيار التسريب بشكل ملحوظ في الترانزستورات ثنائية القطب (وخاصةً الترانزستورات ثنائية القطب المصنوعة من الجرمانيوم ) مع ارتفاع درجة حرارتها. وبحسب تصميم الدائرة، قد يؤدي هذا الارتفاع في تيار التسريب إلى زيادة التيار المار عبر الترانزستور، وبالتالي زيادة استهلاك الطاقة ، مما يتسبب في زيادة إضافية في تيار التسريب بين الجامع والباعث. ويُلاحظ هذا الأمر بشكل متكرر في مرحلة الدفع والسحب لمضخمات الفئة AB . إذا تم ضبط انحياز ترانزستورات السحب لأعلى والسحب لأسفل بحيث يكون تشوه التقاطع في أدنى مستوياته عند درجة حرارة الغرفة ، ولم يتم تعويض الانحياز حراريًا، فمع ارتفاع درجة الحرارة، سيزداد انحياز كلا الترانزستورين، مما يؤدي إلى زيادة التيار والطاقة، وفي النهاية إلى تلف أحدهما أو كليهما.

إحدى القواعد العامة لتجنب الهروب الحراري هي الحفاظ على نقطة تشغيل الترانزستور ثنائي القطب بحيث يكون V _ce ≤ 1/2  V _cc .

من الممارسات الأخرى تركيب ترانزستور استشعار حراري أو جهاز آخر على المشتت الحراري للتحكم في جهد الانحياز عند نقطة التقاطع. فعندما ترتفع درجة حرارة ترانزستورات الخرج، ترتفع درجة حرارة ترانزستور الاستشعار الحراري أيضًا. وهذا بدوره يؤدي إلى تشغيل ترانزستور الاستشعار الحراري عند جهد أقل قليلًا، مما يقلل من جهد الانحياز عند نقطة التقاطع، وبالتالي يقلل من الحرارة المبددة من ترانزستورات الخرج.

في حال توصيل عدة ترانزستورات ثنائية القطبية (BJT) على التوازي (وهو أمر شائع في التطبيقات التي تتطلب تيارات عالية)، قد تحدث مشكلة استهلاك التيار الزائد. لذا، يجب اتخاذ تدابير خاصة للتحكم في هذه الخاصية التي تُعدّ نقطة ضعف في ترانزستورات ثنائية القطبية.

في ترانزستورات القدرة (التي تتكون فعلياً من العديد من الترانزستورات الصغيرة الموصولة على التوازي)، قد يحدث احتكار للتيار بين أجزاء مختلفة من الترانزستور نفسه، حيث ترتفع درجة حرارة أحد أجزاء الترانزستور أكثر من غيره. يُطلق على هذه الظاهرة اسم الانهيار الثانوي ، وقد تؤدي إلى تلف الترانزستور حتى عندما تبدو درجة حرارة الوصلة المتوسطة ضمن المستوى الآمن.

تزداد مقاومة التوصيل في ترانزستورات MOSFET عادةً مع ارتفاع درجة الحرارة. في بعض الحالات، تتسبب الطاقة المبددة في هذه المقاومة في زيادة تسخين الوصلة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها ، ضمن حلقة تغذية راجعة موجبة . ونتيجةً لذلك، تتميز ترانزستورات MOSFET بمناطق تشغيل مستقرة وغير مستقرة. ^{[ 5 ]} مع ذلك، تساعد زيادة مقاومة التوصيل مع ارتفاع درجة الحرارة على موازنة التيار عبر عدة ترانزستورات MOSFET موصولة على التوازي، مما يمنع احتكار التيار. إذا أنتج ترانزستور MOSFET حرارةً تفوق قدرة المشتت الحراري على تبديدها، فقد يؤدي ذلك إلى انهيار حراري يُتلف الترانزستور. يمكن التخفيف من هذه المشكلة جزئيًا عن طريق خفض المقاومة الحرارية بين رقاقة الترانزستور والمشتت الحراري. انظر أيضًا: تصميم الطاقة الحرارية .

عادةً ما تنخفض مقاومة المقاومات المتغيرة لأكسيد المعادن مع ارتفاع درجة حرارتها. عند توصيلها مباشرةً بمصدر طاقة تيار متردد أو مستمر (وهو استخدام شائع للحماية من ارتفاعات الجهد المفاجئة )، قد تنزلق المقاومة المتغيرة لأكسيد المعادن، التي انخفض جهد تشغيلها، إلى حالة هروب حراري كارثي، مما قد يؤدي إلى انفجار صغير أو حريق. ^{[ 6 ]} ولمنع هذا الاحتمال، يُحدَّد تيار العطل عادةً بواسطة مصهر حراري أو قاطع دارة أو أي جهاز آخر للحد من التيار.

في بعض الظروف، تكون مكثفات التنتالوم عرضة للتلف الذاتي نتيجةً للهروب الحراري. يتكون المكثف عادةً من إسفنجة تنتالوم مُلبّدة تعمل كقطب موجب ، وقطب سالب من ثاني أكسيد المنغنيز ، وطبقة عازلة من خامس أكسيد التنتالوم تُشكّل على سطح إسفنجة التنتالوم بواسطة عملية الأنودة . قد يحدث أن تحتوي طبقة أكسيد التنتالوم على نقاط ضعف تتعرض للانهيار العازل أثناء ارتفاع مفاجئ في الجهد . عندئذٍ، تتلامس إسفنجة التنتالوم مباشرةً مع ثاني أكسيد المنغنيز، ويؤدي ازدياد تيار التسريب إلى تسخين موضعي؛ وعادةً ما يُحفّز هذا تفاعلاً كيميائياً ماصاً للحرارة يُنتج أكسيد المنغنيز (III) ويُجدّد ( يُرمّم ذاتياً ) طبقة أكسيد التنتالوم العازلة.

مع ذلك، إذا كانت الطاقة المبددة عند نقطة العطل عالية بما يكفي، فقد يبدأ تفاعل طارد للحرارة ذاتي الاستدامة ، مشابه لتفاعل الثرميت ، باستخدام التنتالوم المعدني كوقود وثاني أكسيد المنغنيز كمؤكسد. سيؤدي هذا التفاعل غير المرغوب فيه إلى تدمير المكثف، مُنتجًا دخانًا وربما لهبًا . ^{[ 7 ]}

لذلك، يمكن استخدام مكثفات التنتالوم بحرية في دوائر الإشارات الصغيرة، ولكن يجب تصميم استخدامها في دوائر الطاقة العالية بعناية لتجنب حالات الفشل الحراري المفاجئ.

يزداد تيار التسريب في ترانزستورات التبديل المنطقية مع ارتفاع درجة الحرارة. وفي حالات نادرة، قد يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ في الدوائر الرقمية. لكن هذه ليست مشكلة شائعة، لأن تيارات التسريب عادةً ما تشكل نسبة ضئيلة من إجمالي استهلاك الطاقة، لذا فإن الزيادة في الطاقة تكون طفيفة نسبيًا - ففي معالج أثلون 64 ، يزداد تبديد الطاقة بنسبة 10% تقريبًا لكل 30 درجة مئوية. ^{[ 8 ]} بالنسبة لجهاز ذي استهلاك طاقة حرارية (TDP) يبلغ 100 واط، لكي يحدث ارتفاع في درجة الحرارة بشكل مفاجئ، يجب أن تكون المقاومة الحرارية للمشتت الحراري أكثر من 3 كلفن/واط، أي أسوأ بست مرات تقريبًا من مشتت حراري قياسي لمعالج أثلون 64. (يبلغ معدل مقاومة مشتت الحرارة القياسي لمعالج Athlon 64 حوالي 0.34 كلفن/واط، مع العلم أن المقاومة الحرارية الفعلية للبيئة المحيطة أعلى قليلاً، وذلك بسبب الحاجز الحراري بين المعالج ومشتت الحرارة، وارتفاع درجات الحرارة داخل الجهاز، وغيرها من العوامل المقاومة للحرارة. ) على أي حال، فإن استخدام مشتت حرارة غير مناسب بمقاومة حرارية تتجاوز 0.5 إلى 1 كلفن/واط سيؤدي إلى تلف جهاز بقدرة 100 واط حتى بدون حدوث ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة.

عند سوء التعامل مع بعض البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، أو تصنيعها بشكل معيب، أو تلفها، قد تتعرض لظاهرة الهروب الحراري مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها بشكل مفرط. وقد تنفجر الخلايا المغلقة أحيانًا بعنف إذا لم تعمل فتحات التهوية المخصصة لها أو كانت غير فعالة. ^{[ 9 ]} وتُعد بطاريات الليثيوم أيون ، وخاصة بطاريات الليثيوم بوليمر ، أكثر عرضة للهروب الحراري . وتُستخدم بطاريات الليثيوم أيون بكثرة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والمركبات. وتظهر تقارير عن انفجار الهواتف المحمولة بين الحين والآخر في الصحف. وفي عام 2006، تم سحب بطاريات من شركات أبل ، وإتش بي ، وتوشيبا ، ولينوفو ، وديل، وغيرها من مصنعي أجهزة الكمبيوتر المحمولة، بسبب حوادث حريق وانفجار. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} وقد وضعت إدارة سلامة خطوط الأنابيب والمواد الخطرة (PHMSA) التابعة لوزارة النقل الأمريكية لوائح تنظم نقل أنواع معينة من البطاريات على متن الطائرات نظرًا لعدم استقرارها في بعض الحالات. وقد استُلهم هذا الإجراء جزئيًا من حريق في عنبر شحن طائرة تابعة لشركة فيديكس . ^{[ 14 ]} أحد الحلول الممكنة هو استخدام مواد أنود (تيتانات الليثيوم) وكاثود ( فوسفات حديد الليثيوم - LFP) أكثر أمانًا وأقل تفاعلية - وبالتالي تجنب أقطاب الكوبالت في العديد من خلايا الليثيوم القابلة لإعادة الشحن - جنبًا إلى جنب مع الإلكتروليتات غير القابلة للاشتعال القائمة على السوائل الأيونية.

عندما تستنفد النجوم التي تتراوح كتلتها بين 0.8 و2.0 كتلة شمسية الهيدروجين في نواتها وتتحول إلى عمالقة حمراء ، يصل الهيليوم المتراكم في نواتها إلى حالة انحلال قبل أن يشتعل. وعندما تصل الكتلة الحرجة للنواة المنحلة إلى حوالي 0.45 كتلة شمسية، يشتعل اندماج الهيليوم وينطلق بشكل متسارع، فيما يُعرف بوميض الهيليوم ، مما يزيد إنتاج طاقة النجم لفترة وجيزة إلى معدل يزيد 100 مليار مرة عن المعدل الطبيعي. ويتحول حوالي 6% من النواة بسرعة إلى كربون. ^{[ 15 ]} ورغم أن هذا الانطلاق كافٍ لتحويل النواة مرة أخرى إلى بلازما طبيعية بعد بضع ثوانٍ، إلا أنه لا يُزعزع استقرار النجم، ^{[ 16 ] [ 17 ]} ولا يُغير لمعانه بشكل فوري. ثم ينكمش النجم، تاركًا مرحلة العملاق الأحمر ومواصلًا تطوره إلى مرحلة مستقرة يحترق فيها الهيليوم .

ينتج المستعر الأعظم عن اندماج الهيدروجين المتسارع (عبر دورة الكربون والأكسجين ) في الطبقة الخارجية لنجم قزم أبيض يتكون من الكربون والأكسجين . إذا كان للقزم الأبيض نجم مرافق يستطيع أن يكتسب منه الغاز ، فإن المادة تتراكم في طبقة سطحية تتدهور بفعل جاذبية القزم الشديدة. في ظل الظروف المناسبة، تُسخّن طبقة سميكة كافية من الهيدروجين في النهاية إلى درجة حرارة 20 مليون كلفن، مما يُشعل اندماجًا متسارعًا. تُقذف الطبقة السطحية من القزم الأبيض، مما يزيد من لمعانه بمقدار 50,000 ضعف. ومع ذلك، يبقى القزم الأبيض ونجمه المرافق سليمين، لذا يمكن أن تتكرر العملية. ^{[ 18 ]} قد يحدث نوع نادر جدًا من المستعرات العظمى عندما تتكون الطبقة الخارجية التي تشتعل من الهيليوم. ^{[ 19 ]}

على غرار العملية المؤدية إلى المستعرات العظمى، يمكن للمادة المتدهورة أن تتراكم أيضًا على سطح نجم نيوتروني يكتسب غازًا من نجم مرافق قريب. إذا تراكمت طبقة سميكة كافية من الهيدروجين، فقد يؤدي اشتعال اندماج الهيدروجين المتسارع إلى انفجار أشعة سينية . وكما هو الحال مع المستعرات العظمى، تميل هذه الانفجارات إلى التكرار، وقد تُحفز أيضًا باندماج الهيليوم أو حتى الكربون. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وقد اقتُرح أنه في حالة "الانفجارات الهائلة"، فإن التفكك المتسارع للنوى الثقيلة المتراكمة إلى نوى مجموعة الحديد عبر التفكك الضوئي، بدلًا من الاندماج النووي، قد يُساهم في الجزء الأكبر من طاقة الانفجار. ^{[ 21 ]}

ينتج المستعر الأعظم من النوع Ia عن اندماج الكربون المتسارع في لبّ نجم قزم أبيض من الكربون والأكسجين. إذا اكتسب قزم أبيض، يتكون بالكامل تقريبًا من مادة متحللة، كتلة من نجم مرافق، فإن ارتفاع درجة الحرارة وكثافة المادة في نواته سيؤدي إلى إشعال اندماج الكربون إذا اقتربت كتلة النجم من حد تشاندراسيكار . ينتج عن ذلك انفجار يُدمر النجم تمامًا، وتزداد إضاءته بأكثر من 5 مليارات ضعف. إحدى طرق اكتساب هذه الكتلة الإضافية هي تراكم الغاز من نجم عملاق (أو حتى نجم من نجوم التسلسل الرئيسي ) مرافق. ^{[ 22 ]} آلية أخرى، ويبدو أنها أكثر شيوعًا، لتوليد نفس نوع الانفجار هي اندماج قزمين أبيضين . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

يُعتقد أن المستعر الأعظم الناتج عن عدم استقرار الأزواج ينتج عن اندماج الأكسجين المتسارع في لبّ نجم ضخم ، تتراوح كتلته بين 130 و250 ضعف كتلة الشمس، ذي معدنية منخفضة إلى متوسطة . ^{[ 24 ]} وفقًا للنظرية، في مثل هذا النجم، يتراكم لبّ كبير ولكنه منخفض الكثافة نسبيًا من الأكسجين غير المندمج، ويتحمل وزنه ضغط أشعة غاما الناتجة عن درجة الحرارة القصوى. مع ازدياد سخونة اللبّ، تبدأ أشعة غاما في تجاوز عتبة الطاقة اللازمة للتحلل الناتج عن التصادم إلى أزواج إلكترون - بوزيترون ، وهي عملية تُسمى إنتاج الأزواج . يتسبب هذا في انخفاض الضغط داخل اللبّ، مما يؤدي إلى انكماشه وسخونته أكثر، مُسببًا المزيد من إنتاج الأزواج، ومزيدًا من انخفاض الضغط، وهكذا. يبدأ اللبّ في الانهيار بفعل الجاذبية . عند نقطة معينة، يُشعل هذا اندماج الأكسجين المتسارع، مُطلقًا طاقة كافية لتدمير النجم. هذه الانفجارات نادرة، ربما واحدة لكل 100,000 مستعر أعظم.

لا تُثار جميع المستعرات العظمى بفعل الاندماج النووي المتسارع. فالمستعرات العظمى من النوع Ib و Ic والنوع II تخضع أيضًا لانهيار النواة، ولكن نظرًا لاستنفادها مخزونها من النوى الذرية القادرة على الخضوع لتفاعلات اندماج طاردة للحرارة، فإنها تنهار تمامًا لتتحول إلى نجوم نيوترونية ، أو في حالات الكتل الأعلى، إلى ثقوب سوداء نجمية ، مما يُغذي الانفجارات بإطلاق طاقة الوضع التثاقلية (بشكل رئيسي عبر إطلاق النيوترينوات ). إن غياب تفاعلات الاندماج المتسارع هو ما يسمح لهذه المستعرات العظمى بترك بقايا نجمية كثيفة .