Effetto Joule

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L'effetto Joule, è quel fenomeno per cui un conduttore attraversato da una corrente elettrica dissipa energia sotto forma di calore in quantità proporzionale all'intensità della corrente elettrica che lo attraversa. Prende il nome dal fisico James Prescott Joule che lo osservò attorno al 1840.

In termini matematici si può scrivere la prima legge di Joule come segue:

Dove:

• P è la potenza dissipata
• V è la tensione ai capi del circuito
• I è la corrente che vi circola

Nel caso di un resistore, si può riscrivere utilizzando la Legge di Ohm come:

dove R è la resistenza del circuito.

Il fenomeno ha spesso implicazioni negative, poiché è causa di perdita di energia nelle linee di trasporto dell'elettricità ed in generale di qualsiasi circuito, nonché abbatte il rendimento delle macchine elettriche. È però alla base del funzionamento di molti dispositivi elettrici tra cui: la lampada ad incandescenza, l'interruttore magnetotermico, il fusibile, il forno elettrico, l'asciugacapelli, lo scaldabagno elettrico.

[modifica] Esempi

Facciamo due piccoli esempi chiarificatori:

A) Tensione alternata sinusoidale di 100V
(circuito in serie) R = 3Ω
X = 4Ω
Z = 5Ω (visto che Z^2 = R^2 + X^2)
cosΦ = 0,6 (visto che cosΦ = R/Z)

V = 100V
I = 20A (visto che I = V/Z = 100/5)

P = V I cosΦ = 100 x 20 x 0,6 = 1200 W
P = I^2 R = 20 x 20 x 3 = 1200 W
P = ((V cosΦ)^2)/R = ((100 x 0,6)^2)/3 = 1200 W

B) Tensione continua di 100V

R = 3Ω
X = 0Ω (in continua questo valore è sempre 0 - zero)
Z = 3Ω (visto che Z^2 = R^2 + X^2)
cosΦ = 1 (visto che cosΦ = R/Z)

V = 100V
I = 33,3333A (visto che I = V/Z = 100/3)

P = V I cosΦ = 100 x 33,3333 x 1 = 3.333,33 W
P = I^2 R = 33,3333 x 33,3333 x 3 = 3.333,33 W
P = ((V cosΦ)^2)/R = ((100 x 1)^2)/3 = 3.333,33 W

Con i 2 esempi soprariportati abbiamo visto come si calcola la potenza nei circuiti elettrici. Vediamo ora come si calcola l'energia.

Come è stato detto all'inizio l'energia è proporzionale alla potenza per il tempo. Se la potenza è misurata in W (Watt) e il tempo è misurato in s (secondi) la loro moltiplicazione da l'energia misurata in J (Joule).

Facciamo un esempio.
P = 1.000 w (watt)
T = 3.600 s (secondi) = 1h (1 ora)

E = PxT = 1.000 x 3.600 = 3.600.000 J

Se in un circuito elettrico parte dell'energia assorbita è convertita in una o più altre forme di energia (energia meccanica, energia potenziale, energia cinetica, ecc) è ovvio che solamente la parte residua è energia termica dissipata dal circuito elettrico stesso. Questo è il noto principio di conservazione dell'energia.

Facciamo un esempio.

In un motore elettrico parte dell'energia assorbita è resa sotto forma di energia meccanica e la restante parte sarà trasformata in calore.