L'effetto Joule e la corrente elettrica
Il fenomeno conosciuto come effetto Joule si verifica in un qualsiasi conduttore percorso da corrente elettrica e comporta una dissipazione di energia elettrica. In altre parole possiamo dire che non esiste un materiale in grado di trasmettere per intero l’energia elettrica che lo percorre. Sulla base di questo principio sono nati elettrodomestici come il ferro da stiro alimentato a corrente.
A dimostrare per primo questo fenomeno fu il fisico inglese James Prescott Joule nel 1848. Si servì di un filo di materiale conduttivo immerso in una bacinella d’acqua, di cui tenne monitorata la temperatura dopo aver avviato il passaggio di corrente. Questa aumentava già in tempi relativamente brevi, inferiori ai 30 minuti.
Definizione dell’effetto Joule
Per definirlo in breve possiamo dire che in un circuito elettrico il conduttore attraversato da corrente dissipa parte di questa sotto altre forme di energia.
La dispersione dell’elettricità avviene prevalentemente attraverso il calore (energia termica) emanato dal materiale. Ogni giorno possiamo osservare decine di esempi, tra cui il più banale è il vetro della lampadina che si scalda quando la si accende.
Sempre legato all’effetto Joule è il riscaldamento che interessa i dispositivi elettronici in funzione, come per esempio il portatile o lo smartphone. Non bisogna però concludere che la dissipazione avvenga solo tramite il calore, perché ci sono anche altre forme di energia che possono dissipare la corrente. Per esempio la luce (energia luminosa), per richiamare sempre l’esempio della lampada.
Questo fenomeno si applica a tutti i tipi di conduttori indipendentemente dalla loro resistività (ossia dalla resistenza che oppongono al passaggio della corrente). Se un materiale ha la proprietà di condurre l’energia elettrica quindi provocherà sempre una dispersione parziale. Vale sia nei casi in cui il passaggio di elettricità è continuo che quelli in cui si ha corrente alternata.
Alla base della dissipazione di energia elettrica ci sono gli urti fra gli elettroni del flusso di corrente e le particelle che compongono il conduttore. Il loro moto infatti non è ordinato ma caotico. Questi provocano una maggiore oscillazione degli atomi o delle molecole che si traduce in un aumento della temperatura del materiale.
Le formule collegate al fenomeno
Per capire la quantità di corrente che un conduttore disperde sotto forma di calore con l’effetto Joule dobbiamo partire dalla potenza (P). In fisica questa grandezza si definisce come la quantità di lavoro prodotto nell’unità di tempo, ma in questo caso corrisponde all’energia dissipata. Per ricavarla possiamo usare la formula P = iΔV, dove in particolare:
- i rappresenta l’intensità elettrica, ovvero la corrente che attraversa la sezione di un conduttore nell’unità di tempo. Si misura in Ampére (A).
- ΔV è la differenza di potenziale presente nel circuito. La sua unità di misura è il Volt (V).
- Q corrisponde all’energia termica attraverso cui il conduttore dissipa parte dell’elettricità.
- Δt è l’intervallo di tempo in cui il conduttore ha disperso il calore.
Come sfruttare l’effetto Joule
Lo stesso vale per le stufe elettriche, apparecchi a basso consumo che trasmettono il calore all’ambiente per convezione. Si tratta di un processo che sfrutta il moto di un fluido (che in questo caso è l’aria) per diffondere l’energia termica. I grill a corrente sono apparecchi simili ma sfruttano l’effetto Joule per scaldare il cibo tramite irraggiamento, ossia lo scambio di energia termica fra due corpi.
All’interno dei circuiti invece conoscere questo fenomeno ha consentito di inserire i fusibili come dispositivi di sicurezza. Quando l’intensità della corrente aumenta oltre i valori previsti questi si bruciano interrompendo il suo passaggio. Il circuito si blocca impedendo al calore di fondere le parti più delicate o il conduttore stesso.
Il calore però non è l’unica forma di energia con cui si può dissipare la corrente, perché ci sono anche la luce e l’energia meccanica. I motori elettrici sfruttano sempre questo processo, anche se la loro resa non è ancora ottimale.
Un esperimento dimostrativo
Per una quantità d’acqua di circa 150 mL può bastare un’intensità di corrente di circa 5 o 6 Ampére. Una volta che la corrente circola si può controllare la temperatura dell’acqua a intervalli regolari, registrando le sue variazioni in rapporto al tempo. Si fissa una soglia di temperatura a cui fermarsi, che può essere un intervallo di 20-25° C. Una volta raggiunta si può spegnere l’alimentazione.
A questo punto si può costruire il grafico che lega il tempo e la temperatura, osservando che si tratta di una relazione lineare. Per stimare in modo attendibile l’effetto Joule però occorre tenere presente il fatto che il calore disperso non si limita a scaldare l’acqua.
