Effetto Joule

L’effetto Joule è il processo mediante il quale un flusso di corrente elettrica attraverso un conduttore o semiconduttore determina la produzione di calore. Questo principio prende il nome da James Prescott Joule, eminente fisico britannico che diede un contributo significativo al campo della termodinamica.

Quando una corrente elettrica scorre attraverso un materiale, incontra resistenza dovuta alla forza che impedisce al materiale il flusso di corrente. In risposta a questa resistenza, a causa dello spostamento degli elettroni dovuto alla corrente elettrica, entrano in collisione con gli atomi presenti nel materiale. Queste collisioni convertono l’energia elettrica in energia termica, provocando il riscaldamento del materiale noto come effetto Joule.

L’effetto Joule è un principio fondamentale nel funzionamento di molti dispositivi utilizzati quotidianamente come, ad esempio, le stufe elettriche, i piani cottura e tiene accese le lampadine a incandescenza in cui il riscaldamento ohmico mediante la corrente aumenta la temperatura del filamento per dissipare la potenza mediante radiazione.

Equazioni e effetto Joule

Tra il 1840 e il 1843 Joule dedicò i suoi studi al calore prodotto da una corrente elettrica da sviluppò le leggi del riscaldamento la prima delle quali è comunemente chiamata effetto Joule. La prima legge di Joule esprime la relazione tra il calore generato in un conduttore e la corrente, la resistenza e il tempo. Questa legge può essere espressa come:
Q = I²·R·t (1)

Dove Q è il calore generato da una corrente costante I che scorre attraverso un conduttore di resistenza elettrica R, per un tempo t. Quando corrente, resistenza e tempo sono espressi rispettivamente in ampere, ohm e secondi, l’unità di Q è il joule.

Nell’equazione il termine relativo alla corrente è elevato al quadrato e ciò implica che un piccolo aumento di corrente può avere un grande effetto sul calore prodotto. La resistenza determina quanta opposizione incontra la corrente mentre si muove attraverso il conduttore pertanto Q aumenta all’aumentare della resistenza.

Tuttavia, oltre alla resistenza intrinseca del materiale altri fattori, come l’area della sezione trasversale e la lunghezza del materiale, possono influire sulla sua resistenza e quindi sull’effetto Joule. Inoltre all’aumentare del tempo in cui si lascia scorrere la corrente aumenta Q.

L’equazione (1) correlata all’effetto Joule può essere ottenuta conoscendo le leggi che regolano i fenomeni elettrici. La quantità di lavoro fatto in un circuito elettrico è pari a:
W = Q·V (2)
che corrisponde la quantità di lavoro elettrico compiuto per spostare una carica in un campo elettrico essendo V la differenza potenziale o tensione.

L’equazione che correla carica, corrente e tempo è:
Q = I·t  (3)
dove Q è quantità di carica espressa in coulomb, I è la corrente espressa in ampere e t è il tempo espresso in secondi.

Utilizzando la legge di Ohm che correla la tensione, la corrente e la resistenza in un circuito elettrico espressa come V = I·R (4) e sostituendo i valori di Q dalla (3) e di V dalla (4) nella (2) si ottiene:
W = I·t · I·R = I²·R·t
Questo lavoro svolto viene convertito in energia termica e l’equazione diventa: Q = I²·R·t

Vantaggi e svantaggi

L’effetto Joule consente di generare calore in modo controllato ed è pertanto utilizzato in numerosi dispositivi e processi industriali come, ad esempio, nel campo dell’industria petrolifera e dell’ingegneria nucleare.

Oltre che nelle lampadine a incandescenza, l’effetto Joule è utilizzato nei forni elettrici industriali in cui sono poste resistenze per riscaldare in modo uniforme il prodotto in lavorazione e nei forni a induzione industriali dove campi magnetici variabili inducono correnti a fluire in un materiale, generando l’effetto Joule.

Dalle stufe a resistenza, al riscaldamento del lunotto termico dell’auto, dove viene fatta aderire una resistenza al vetro per riscaldarlo uniformemente ed evitare la formazione di condensa, si utilizza il riscaldamento diretto a resistenza, in cui il calore del conduttore viene utilizzato attraverso il flusso di calore diretto.

Uno dei maggiori svantaggi dell’effetto Joule è dovuto al fatto che se una corrente elettrica scorre attraverso il conduttore, solo una parte di essa viene convertita in calore e gran parte del calore viene sprecato nell’ambiente circostante. Ciò significa che il rapporto tra energia elettrica consumata e potenza utile è solitamente piccolo, con la conseguenza principale di un impatto ambientale negativo attraverso lo spreco di energia.

Inoltre il calore prodotto può danneggiare l’isolamento e i componenti elettrici di un circuito riducendone la durata. Per questo motivo è necessario aggiungere al circuito un ulteriore sistema di raffreddamento per contrastare l’effetto del riscaldamento.

Esercizi

• Calcolare l’energia termica prodotta in un circuito elettrico che ha una resistenza di 20 Ω attraversato da una corrente di 10 A per un tempo pari a 10 minuti.

Il tempo t è pari a 10 min · 60 s/min = 600 s
Sostituendo i valori dati nell’equazione Q = I²·R·t si ottiene:
Q = (10)²· 20· 600 = 1.2 · 10⁶ J = 1200 kJ

• Calcolare la tensione in un circuito se è prodotta, in 10 s, un’energia termica di 4500 J posto che la resistenza vale 9 Ω.

Dall’equazione Q = I²·R·t si può calcolare la corrente che fluisce nel circuito:
I = √ Q/R·t = √4500/9·10 = 7.1 A
Per la legge di Ohm V = I·R = 7.1 · 9 = 64 V