L’effetto Joule, la misura del kWh e la resistenza dei materiali sono concetti chiave per comprendere come l’energia viene consumata influenzando la vita quotidiana. Ma che cos’è l’effetto Joule? Scopriamolo assieme in questo articolo.

Chi era Joule?

Diversi elettrodomestici come il tostapane e il ferro da stiro, una volta collegati alla presa della corrente, si riscaldano notevolmente. Qual è la spiegazione di questo fenomeno?

In pratica, l’effetto Joule è il fenomeno per cui qualsiasi conduttore elettrico percorso da corrente si riscalda. Questo avviene perché si ha una dissipazione di una parte dell’energia elettrica sotto forma di calore. In altre parole, possiamo dire che non esiste materiale in grado di trasmettere completamente l’energia elettrica che lo attraversa.

Il primo a dimostrare questo fenomeno fu il fisico inglese James Prescott Joule nel 1848. Si servì di un filo di materiale conduttivo immerso in una bacinella d’acqua, monitorandone la temperatura dopo aver avviato il passaggio di corrente. Questa aumentava già in tempi relativamente brevi, inferiori ai trenta minuti.

Indagando sugli effetti termici, inviò alla Royal Society un articolo in cui dimostrava che un conduttore attraversato da corrente elettrica produce calore in quantità proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato della corrente stessa.

Effetto Joule: definizione

L’effetto Joule è un fenomeno che trasforma l’energia elettrica in calore nei circuiti.

Il motivo per cui l’elettricità è così utile per gli esseri umani è che può essere facilmente convertita in altre forme di energia, in particolare l’energia termica (calore). Può essere facilmente osservato nelle lampadine, dove l’effetto principale del passaggio di corrente è il calore e fa sì che i filamenti diventino incandescente e, di conseguenza, si abbia energia luminosa.

Questo fenomeno si applica a tutti i tipi di conduttori, indipendentemente dalla loro resistività (cioè la resistenza a cui si oppongono al passaggio di corrente). Se il materiale ha la proprietà di condurre energia elettrica, provoca sempre una dispersione parziale. Questo vale sia quando il passaggio di elettricità è continuo che quando c’è corrente alternata.

Alla base della dissipazione dell’energia elettrica c’è un impatto tra gli elettroni del flusso di corrente e le particelle che compongono il conduttore. In realtà, i loro movimenti non sono ordinati, ma caotici. Questi causano vibrazioni, a seguito delle quali aumenta la temperatura del materiale.

Quando un dispositivo, come un tostapane o un ferro da stiro, è collegato a una corrente elettrica, l’energia elettrica fornita dal generatore viene convertita in calore a causa del movimento di elettroni nel conduttore. Questi elettroni, accelerati dal campo elettrico, interagiscono con gli ioni del reticolo cristallino del materiale conduttivo e trasferiscono parte della loro energia cinetica a loro. Questi shock portano ad un aumento dell’energia cinetica media degli ioni, che appare macroscopicamente come un aumento della temperatura del conduttore. Quindi, l’effetto effetto è un esempio di come l’energia può essere convertita da una forma all’altra, e in questo caso da una forma elettrica a una forma termica.

Effetto Joule: enunciato

L’elettricità, che è una forma di energia secondaria (perché deriva da forme di energia primarie) viene usata in Italia per il riscaldamento (sfruttando proprio l’effetto Joule) nelle forme più disparate. Basti pensare alle lampade a infrarossi, alle stufette, ecc. In buona sostanza, l’effetto Joule si manifesta ogni volta che viene acceso un apparecchio o un dispositivo che necessita di elettricità per funzionare. La legge di Joule quantifica la relazione tra la potenza dissipata sotto forma di calore in un conduttore e la corrente che lo attraversa. Secondo questa legge, la potenza dissipata (P) è proporzionale al quadrato della forza corrente del conduttore (I) e della resistenza elettrica (R).

Questa relazione è una manifestazione del principio di conservazione dell’energia, che afferma che l’energia non può essere prodotta o eliminata, ma solo convertita. Ecco perché in un circuito elettrico, l’energia fornita dalla sorgente viene completamente convertita in calore.

La formula per calcolare l’effetto di continuità nella regione dei conduttori in corrente continua e ohmici è molto simile a quella utilizzata per calcolare la potenza.

• P = RI²
• P = i∆V
• P = (∆V)² / R

dove P è la potenza, R è la resistenza, V è la differenza di potenziale e I è la corrente. Tutte queste 3 leggi consentono di calcolare il valore del calore dissipato dal conduttore attraverso il quale passa la corrente a dicembre ∆t, c’è una differenza di potenziale ∆V ad entrambe le estremità, che può opporsi alla resistenza R.

Effetto Joule e termodinamica

La legge di Joule nella formulazione più generale implica la trasformazione di energia elettrica in altre forme di energia in cui il calore sviluppato è solo un effetto non voluto, senza quindi le limitazioni imposte dalla termodinamica.

Nel 1841 e 1842, Joule fece diversi esperimenti atti a dimostrare che il calore generato era proporzionale alla energia chimica usate nelle pile di Volta utilizzate. I risultati concessero a Joule di mettere in discussione la teoria del calorico ponendo le basi della teoria meccanica del calore, secondo cui il calore è una delle tante forme di energia. Inoltre, ciò pose le basi per la legge di conservazione dell’energia e del primo principio della termodinamica.

In maniera indipendente nel 1842 Heinrich Lenz trovò la stessa relazione tra energia elettrica e termica, ragione per cui i Russi la chiamano legge di Joule-Lenz.

Come viene prodotto l’effetto Joule?

Come precedentemente enunciato, l’effetto può essere facilmente spiegato come un fenomeno in cui qualsiasi tipo di conduttore si interseca con una corrente elettrica (direttamente o alternativamente), dissipa parzialmente l’energia elettrica fornita da altre forme di energia, ad esempio il calore.

Questo fenomeno è dovuto in parte al trasferimento di energia cinetica dagli elettroni di conduzione (che si muovono all’interno del conduttore) agli ioni del reticolo con cui si scontrano. L’effetto provoca un aumento dell’energia interna degli ioni conduttori, a seguito del quale è possibile registrare un aumento della temperatura.

Asciugacapelli, riscaldatori o ferri da stiro sono tutti dispositivi creati per sfruttare l’effetto Joule contrario, se il computer si surriscalda, significa che parte dell’elettricità fornita dalla batteria viene sprecata.

Usi pratici dell’effetto Joule

L’effetto Joule si può notare in molti elettrodomestici di uso comune. Un esempio è la stufa elettrica, che sfrutta proprio tale fenomeno per riscaldare il conduttore attraverso cui passa l’intensità di corrente. Inoltre, in questo tipo di elemento riscaldante, i produttori spesso integrano resistenze progettate per ottimizzare lo scambio di calore tramite un processo noto come conduzione termica.

Oltre al riscaldamento con stufe elettriche e alle lampadine, esistono altri strumenti che sfruttano l’effetto Joule:

• fusibili elettrici;
• sigarette elettroniche che vaporizzano il glicole propilenico e la glicerina vegetale;
• termistori che cambiano resistenza al variare della temperatura;
• forno elettrico;
• piastre per cottura.

Quando un dispositivo viene attivato, la corrente inizia a fluire nel circuito interno e il movimento delle particelle favorisce un aumento dell’energia cinetica delle molecole del conduttore. Il calore prodotto è quindi dovuto alla differenza di temperatura tra il conduttore e l’ambiente circostante.

All’atto pratico, la corrente elettrica consiste in un flusso ordinato di cariche elettriche che scorrono attraverso un conduttore. Gli elettroni urtano continuamente contro le molecole del materiale provocando un cambio di direzione. Parte dell’energia finisce ai costituenti urtati, che la assorbono mentre il moto di oscillazione aumenta. Di conseguenza, la maggiore agitazione degli atomi e delle molecole causa un aumento della temperatura. Così,  il conduttore si riscalda per effetto Joule.

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