Effetto Joule: ecco perché funziona il ferro da stiro!

 

Effetto Joule.

Diversi elettrodomestici come il tostapane e il ferro da stiro, una volta collegati alla presa della corrente, si riscaldano notevolmente. Qual è la spiegazione di questo fenomeno?

Sappiamo che l’energia non si crea dal nulla. Vediamo allora in quale maniera si ottiene l’energia termica finale a partire da quella elettrica iniziale.

Nel generatore le cariche acquistano energia potenziale e nel conduttore collegato al generatore stesso, gli elettroni, a causa delle forze del campo elettrico, si mettono in movimento, per cui la loro energia potenziale inizia a trasformarsi in energia cinetica. Tuttavia, gli elettroni non si spostano in uno spazio vuoto. Considerata la struttura del conduttore, dopo un percorso più o meno breve essi urtano contro gli ioni del reticolo cristallino, i quali accrescono così la loro energia di oscillazione a scapito di quella cinetica delle particelle cariche.

Dopodiché, gli elettroni, la cui velocità in seguito all’urto è diminuita, vengono nuovamente accelerati dalle forze del campo elettrico: il processo si ripete. Tali eventi, che a livello microscopico provocano un aumento dell’energia cinetica media di oscillazione degli ioni del reticolo, equivalgono a livello macroscopico a un innalzamento della temperatura del conduttore. Questo fenomeno viene definito effetto Joule.

L’effetto Joule è quindi quel processo fisico nel quale l’energia elettrica si dissipa, al passaggio della corrente attraverso i conduttori, sotto forma di calore.

Se non ci fosse l’effetto Joule, una volta innescata, la corrente elettrica all’interno del conduttore potrebbe essere mantenuta all’infinito, senza più la necessità di continuare a far funzionare il generatore… Purtroppo non è così, tranne nel caso particolare dei superconduttori.

Cerchiamo adesso di quantificare le conseguenze dell’effetto Joule.

In base al principio di conservazione dell’energia, possiamo dedurre che tutta l’energia termica Q (calore) dissipata deve essere uguale al lavoro L_AB compiuto dalle forze del campo elettrico per spostare la carica q da un estremo A all’altro estremo B del conduttore, tra i quali si ha la differenza di potenziale :

Q = L_AB

Conseguentemente, la potenza P = Q/Δt perduta nell’intervallo di tempo Δt in seguito al passaggio nel conduttore della corrente elettrica I, che provoca una perdita di energia sotto forma di calore Q, coincide con il rapporto P = L_AB/Δt.

Ricorrendo alla definizione di differenza di potenziale e a quella di intensità di corrente elettrica, con alcuni semplici passaggi si trova la relazione:

P = I·ΔV

Tale legge, che prende il nome di legge di Joule, se facciamo ricorso alla prima legge di Ohm (ΔV = R·I), assume l’espressione piuttosto significativa:

P = R·I²

La potenza dissipata per effetto Joule da una corrente elettrica che attraversa un conduttore è direttamente proporzionale:

• alla resistenza R del conduttore;
• al quadrato dell’intensità di corrente I.

Dal momento che questa potenza deve essere resa disponibile dal generatore per garantire il passaggio della corrente, ne segue che P = R·I² (oppure P = I·ΔV) rappresenta anche la potenza che deve essere fornita dal generatore continuamente per mantenere in circolo la corrente I.

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