L’effetto Joule può essere brevemente descritto come il fenomeno per cui un conduttore di qualsiasi tipo attraversato da corrente (continua o alternata), dissipa in parte l’energia elettrica che gli è fornita in altre forme di energia, ad esempio in calore (ma anche in altre forme, come la luce). Il fatto che l’energia elettrica sia così facilmente convertibile in altre forme energetiche rappresenta il motivo principale della sua importanza per l’essere umano.
Questo fenomeno si deve al fatto che l’energia cinetica viene in parte trasferita dagli elettroni di conduzione (i quali sono in movimento all’interno del conduttore elettrico) agli ioni del reticolo contro cui questi urtano. Gli urti provocano un aumento dell’energia interna degli ioni del conduttore e, conseguentemente, si può notare un aumento di calore.
Nella vita quotidiana avrete probabilmente assistito all’effetto Joule innumerevoli volte: avete mai notato che, se toccate un dispositivo elettronico in funzione, questo è il più delle volte caldo? Un altro esempio è rappresentato dal filamento di una lampadina a incandescenza, il quale, non appena è percorso da corrente, emette sia luce che calore. Ancora, una stufetta o il ferro da stilo sfruttano entrambi l’effetto Joule per il loro funzionamento.
In questo articolo vedremo più nel dettaglio cosa sia l’effetto Joule, come si misura e quali sono alcune implicazioni pratiche di questo fenomeno.
Cos’è l’effetto Joule?
Abbiamo detto che l’effetto Joule, dal nome del fisico inglese James Prescott Joule, consiste nella dissipazione di parte dell’energia elettrica che avviene quando un circuito (di qualsiasi tipo) viene attraversato da corrente (continua o alternata). L’energia elettrica dissipata si trasforma in altre forme energetiche, come l’energia termica. La legge fisica che descrive questo fenomeno, sulla quale ci concentreremo nel paragrafo successivo, si chiama legge di Joule.
In introduzione abbiamo anche spiegato brevemente a cosa sia dovuto l’effetto Joule. Cerchiamo ora di essere un po’ più specifici.
La corrente elettrica, che, nel caso in cui si tratti di corrente continua, consiste in un flusso ordinato di cariche elettriche che scorrono tutte nella stessa direzione attraverso un conduttore che collega due punti fra i quali vi è una differenza di potenziale mantenuta costante, passa attraverso un percorso accidentato. Gli elettroni, dunque, urtano continuamente contro le molecole o gli atomi del reticolo cristallino del materiale. Gli urti provocano un cambio di direzione da parte degli elettroni, i quali rilasciano parte della loro energia ai costituienti urtati. Questi ultimi, assorbendo l’energia fornitagli dagli elettroni, aumentano il loro moto di oscillazione attorno alle rispettive posizioni di equilibrio. Una maggiore agitazione di atomi e molecole corrisponde, come si sa, ad un aumento della temperatura. Ecco allora che il conduttore si è riscaldato per effetto Joule.
Come si misura l’effetto Joule? Le formule
Ora che abbiamo visto brevemente cosa sia l’effetto Joule e a cosa sia dovuto, entriamo finalmente a conoscenza delle formule che consentono di calcolare la quantità di energia dissipata. In questo articolo ci concentreremo unicamente sul regime di corrente continua che passa attraverso conduttori ohmici. Tuttavia, come abbiamo detto, l’effetto Joule si verifica con qualsiasi tipo di conduttore e qualsiasi tipo di corrente.
Le formule per calcolare l’effetto Joule in regime di corrente continua e conduttore ohmico sono estremamente simili a quelle utilizzate per calcolare la potenza elettrica. Le tre diverse leggi grazie alle quali è possibile calolare la potenza elettrica sono:
- P = RI²
- P = i∆V
- P = (∆V)² / R
Dove P è la potenza elettrica, R la resistenza, V la differenza di potenziale e I la corrente.
Tutte e tre queste leggi ci consentono di calcolare il valore del calore dissipato dal conduttore attraversato da corrente in un intervallo di tempo ∆t, ai cui due capi vi è una differenza di potenziale ∆V e capace di opporre una resistenza R.
Qualora volessimo invece calcolare quanto calore viene dissipato in un intervallo di tempo ∆t utilizzeremo la formula Q = P∆t, dove Q indica il calore.
Implicazione pratica dell’effetto Joule
Un’importante implicazione pratica da considerare in riferimento all’effetto Joule è che nel momento in cui forniamo energia elettrica ad un dispositivo, parte di quell’energia verrà dissipata e convertita in calore. Si tratta quindi a tutti gli effetti di energia sprecata, a meno che non si utilizzino applicazioni finalizzate a sfruttare l’efetto Joule.
Un asciugacapelli, una stufetta o un ferro da stiro sono tutti dispositivi creati per sfruttare l’efetto Joule. Al contrario, quando il PC si surriscalda significa che parte dell’energia elettrica fornitagli dalla batteria è sprecata.
