Effetto Joule

Possiamo notare come un circuito attraversato da corrente si scalda toccando un caricabatterie. Questo avviene perché gli elettroni della corrente si scontrano con gli ioni del conduttore e perdono una quantità di energia cinetica, la quale diventa energia termica.

L'effetto Joule è il nome dato alla trasformazione dell'energia elettrica in energia termica, la quale viene trasferita ad altri corpi sotto forma di calore.

Legge di Joule

La legge di Joule ci dice che la quantità di calore $Q$ formata dal percorso di una corrente elettrica all'interno di un conduttore è:

$Q = R\cdot i^2 \cdot \Delta t$

con $R$ la resistenza del conduttore, $i$ la corrente e $\Delta t$ il tempo in cui passa la corrente. L'unità di misura del calore nel SI è il Joule $J$ , essendo un'energia.

Esempio

Quanto vale il calore trasmesso da un pezzo di rame avente resistenza $R = 5\,\Omega$ e sapendo che passa una corrente $i = 3\, A$ in $2\, s$ ?

La quantità di calore trasmessa dalla corrente vale:

$Q = R\cdot i^2\cdot \Delta t = 5\cdot 3^2 \cdot 2 = 90\, J$ .

Applicazioni

L'effetto Joule può essere applicato per diversi utilizzi. Uno di quelli più utilizzati è il riscaldamento a pavimento, infatti viene sfruttato questo effetto per scaldare l'acqua.

Vediamo quindi il fenomeno del riscaldamento dell'acqua da parte di un conduttore. Sappiamo che il calore prodotto da una corrente all'interno di un conduttore vale $Q = R\cdot i^2\cdot \Delta t$ .

Utilizzando le leggi della termodinamica possiamo ricavare l'energia assorbita dall'acqua, la quale è $Q = m\cdot c\cdot \Delta T$ , con $c$ il calore specifico dell'acqua e $\Delta T$ la differenza di temperatura che subisce la massa $m$ di acqua.

Ipotizziamo che non ci siano perdite di calore, allora otteniamo:

$R\cdot i^2 \cdot \Delta t = m\cdot c\cdot \Delta T$

Grazie a questa formula possiamo ricavare la quantità o la temperatura dell'acqua che ci serve.

Esempio

Un conduttore di rame ( $R=5\, \Omega, \;i = 5\,A, \; \Delta t = 100\,s$ ) è utilizzato per riscaldare una quantità d'acqua ( $c = 4180(J/kg \cdot \degree C)$ ) di $\Delta T = 5\degree$ . Quanta acqua viene riscaldata?

La massa di acqua riscaldata sarà pari a:

$m =\dfrac{R\cdot i^2 \cdot \Delta t}{c\cdot \Delta T} = \dfrac{5\cdot 5^2\cdot 100}{4180 \cdot 5} \approx 598\,g$ .