Effetto Joule

L'effetto Joule riguarda qualsiasi conduttore percorso da corrente elettrica e consiste nella dissipazione di una parte dell'energia elettrica in altre forme di energia, prevalentemente sotto forma di calore. Nel caso dei conduttori ohmici e dei circuiti a corrente continua il calore generato è dato dal prodotto tra la potenza elettrica e l'intervallo di tempo.

 

Proseguiamo con lo studio degli aspetti energetici relativi ai conduttori attraversati da corrente. Dopo aver trattato la nozione di potenza elettrica, analizziamo un fenomeno che ha importanti conseguenze dal punto di vista del risparmio energetico: l'effetto Joule.

 

In questa lezione spiegheremo in cosa consiste l'effetto Joule in generale, ne analizzeremo le cause a livello microscopico e infine scriveremo le formule della legge di Joule nel caso di nostro interesse: quello dei circuiti a corrente continua e dei conduttori standard, vale a dire quelli ohmici.

 

Cos'è l'effetto Joule e a cosa è dovuto

 

Quando un utilizzatore di un circuito elettrico (o se preferite un conduttore) è attraversato da corrente, dissipa parte dell'energia elettrica che gli viene fornita sotto altre forme di energia. Ne abbiamo accennato nella lezione sulla potenza elettrica, in cui in particolare abbiamo analizzato come avvengono l'acquisizione e la dispersione dell'energia nei circuiti.

 

La dispersione di energia può manifestarsi in varie forme, ad esempio sotto forma di calore o di luce, ed è un fenomeno che si verifica spessissimo nell'esperienza quotidiana. Ad esempio se tocchiamo un qualunque dispositivo elettrico o elettronico quando è in funzione, constatiamo il più delle volte che è caldo; quando il filamento di tungsteno di una vecchia lampadina a incandescenza viene percorso da corrente, si surriscalda ed emette luce.

 

Questo fenomeno viene detto effetto Joule: consiste nella dissipazione di una parte dell'energia elettrica, che viene convertita in altre forme di energia quando un conduttore viene attraversato da corrente. La legge che lo descrive prende il nome di legge di Joule.

 

Già a questo punto è bene sottolineare due aspetti piuttosto importanti:

 

1) l'effetto Joule viene comunemente associato all'energia termica, ossia al calore, ma in realtà è un fenomeno più generale che riguarda la dispersione di energia elettrica in altre forme di energia quando un conduttore viene percorso da corrente;

 

2) l'effetto Joule riguarda qualsiasi tipo di conduttore attraversato da qualsiasi tipo corrente (corrente continua o corrente alternata).

 

Riguardo a (1) ci interessa la fattispecie della dispersione di energia elettrica sotto forma di calore. Inoltre, se avete letto le precedenti lezioni, saprete sicuramente che per studiare la corrente alternata dovremo attendere il corso sull'Elettromagnetismo; per questo motivo ci occuperemo qui e ora dell'effetto Joule per conduttori ohmici attraversati da corrente continua (2).

 

Proseguiamo. ;) Le cause dell'effetto Joule vanno ricercate a livello microscopico. La corrente elettrica è data da un flusso ordinato di cariche che si muovono mediamente tutte nella stessa direzione, a causa di un campo elettrico creato da un generatore di tensione.

 

In regime di corrente continua, fintantoché il generatore è in grado di mantenere costante la differenza di potenziale ai capi del conduttore, la corrente continua a scorrere. Gli elettroni liberi mossi dal campo elettrico all'interno del conduttore seguono un percorso che non è libero, bensì accidentato: essi infatti urtano continuamente gli atomi o le molecole del reticolo cristallino del materiale, cambiando così direzione e rilasciando parte della propria energia ai costituenti che urtano.

 

Quest'ultimi assorbono l'energia fornita dagli elettroni e incrementano il moto di oscillazione attorno alle proprie posizioni di equilibrio; di conseguenza a una maggiore agitazione degli atomi e delle molecole corrisponde un innalzamento della temperatura. È così che il conduttore disperde energia sotto forma di calore quando è attraversato da corrente elettrica, e si dice che il conduttore si riscalda per effetto Joule.

 

Formule dell'effetto Joule

 

Vediamo come calcolare la quantità di energia che viene dissipata da un conduttore per effetto Joule, ribadendo che in questo contesto ragioniamo in regime di corrente continua e con conduttori standard (ohmici). In tali ipotesi la legge di Joule si traduce in formule del tutto simili a quelle viste per la potenza elettrica.

 

La potenza è infatti la quantità lavoro (o equivalentemente di energia) che viene utilizzata, o prodotta, o ancora dissipata nell'unità di tempo, a seconda dei punti di vista. Nel caso specifico della potenza elettrica si poteva calcolare in tre modi diversi:

 

P=Ri^2\\ \\ P = i\Delta V\\ \\ P = \frac{ \left( \Delta V \right)^2}{R}

 

Con una qualsiasi di queste tre leggi possiamo calcolare il calore dissipato da un conduttore attraversato da corrente i in un intervallo di tempo \Delta t, ai cui capi è presente un differenza di potenziale \Delta V e tale da opporre una resistenza R.

 

Se invece vogliamo sapere quanto calore è stato dissipato in un certo intervallo di tempo \Delta t, possiamo utilizzare la seguente formula. Per evitare ambiguità rispetto alla notazione della carica elettrica indichiamo il calore con \mathcal{Q}:

 

\mathcal{Q}=P \Delta t

 

Da notare che la formula del calore dissipato per effetto Joule di fatto è solo la formula inversa della definizione di potenza, in cui abbiamo considerato come lavoro speso (o energia dissipata) il calore \mathcal{Q}.

 

Se ad esempio volessimo sapere quanto calore riesce a generare in 5 secondi un conduttore con resistenza pari a 450 Ω e attraversato da un corrente di 2,4 A, ci basterebbe usare la prima formula della potenza che abbiamo scritto poco più in alto e sostituirla nella formula del calore:

 

Q = P \Delta t = Ri^2 \Delta t \simeq 1,3 \cdot 10^4 \mbox{ J}

 

Risparmio energetico e implicazioni pratiche dell'effetto Joule

 

Sappiamo che l'energia non si crea né si distrugge, ed è chiaro che il calore generato da un conduttore è una parte dell'energia elettrica che gli è stata fornita e che è stata trasformata. Vi è dunque una notevole implicazione pratica dell'effetto Joule che riguarda il risparmio energetico: quando forniamo energia elettrica a un dispositivo dobbiamo considerare che una parte di quell'energia non verrà utilizzata e che verrà convertita in calore. A meno di applicazioni che sfruttano volontariamente questo fenomeno, nella stragrande maggioranza dei casi si tratta di energia sprecata.

 

Ad esempio una stufetta elettrica sfrutta l'effetto Joule per scaldare, quindi la conversione di energia elettrica in energia termica è un risultato desiderato. Lo stesso vale anche per un asciugacapelli, per una toastiera o per un ferro da stiro: in tali dispositivi è presente una serpentina di materiale conduttore che, quando viene attraversata da corrente, si scalda al punto da diventare incandescente. Anche qui l'effetto Joule è assolutamente voluto e anzi, nell'ottica di massimizzarlo, si utilizzano appositamente conduttori con resistenza elevata per fare in modo che il calore dissipato sia maggiore.

 

In altri contesti, al contrario, l'effetto Joule è un danno collaterale che si vorrebbe evitare. Quando un PC o uno smartphone si scaldano in fase di utilizzo, stanno essenzialmente sprecando parte dell'energia fornita dalla batteria. La stessa cosa accade anche nei cavi ad alta tensione che riforniscono di corrente le case: una parte dell'energia elettrica che trasportano viene dissipata lungo il tragitto. In tutti questi casi si tenta di porre un rimedio per evitare che il calore danneggi i dispositivi (si pensi alle ventole di raffreddamento dei PC) e di trovare delle strategie di risparmio energetico che consentano di ridurre quanto più possibile l'effetto Joule.

 

In generale l'effetto Joule non si può eliminare. Da un certo punto di vista è analogo all'attrito: possiamo cercare di minimizzarlo, ma non di azzerarlo. L'unica eccezione è data dai materiali superconduttori, infatti quando vengono attraversati da corrente e si trovano a temperature inferiori alle proprie temperature critiche, avendo resistenza esattamente uguale a zero, hanno una dissipazione di energia nulla.

 

 


 

Qui abbiamo finito. Vi anticipiamo che nelle prossime lezioni spiegheremo come studiare le resistenze in serie e le resistenze in parallelo, e come calcolare la resistenza equivalente in un circuito. Per tutto il resto - esercizi risolti, dubbi, domande e approfondimenti - vi rimandiamo come di consueto alla barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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