Effetto Joule

Un conduttore attraversato da corrente elettrica si riscalda per effetto dell’attrito causato dagli urti del flusso di cariche elettriche contro gli atomi costituenti il conduttore stesso. In altre parole in esso avviene una trasformazione di energia elettrica in calore.

Quanto sopra si può spiegare tenendo conto del concetto di resistenza elettrica: il mezzo conduttore entro cui avviene il passaggio di corrente elettrica si oppone alla circolazione della corrente, richiedendo un dispendio di energia perché tale circolazione avvenga. Gli elettroni passando da un potenziale inferiore ad un potenziale superiore, cedono energia potenziale elettrica; questa viene dissipata in calore attraverso l’aumento dell’agitazione molecolare dovuto agli urti tra gli elettroni e gli atomi del reticolo cristallino.

Questo processo di trasformazione di energia elettrica in energia termica è stato studiato da James Prescott Joule (1818-1889) ed è noto come effetto Joule.

La legge di Joule afferma che un conduttore di resistenza \(R\), attraversato da una corrente continua \(I\), trasforma in calore in un intervallo di tempo \(\Delta t\) la seguente quantità di energia \(\Delta E\):

\[\Delta E = RI^2\Delta t\]

In termini di potenza si osserva che la potenza elettrica dissipata in calore da un conduttore è:

\[P=\dfrac{\Delta E}{\Delta t}=\dfrac{RI^2\Delta t}{\Delta t}=RI^2\]

Applicando la legge di Ohm si ottiene un’altra espressione equivalente:

\[P=\dfrac{\Delta V^2}{R}\]

Problematiche tecniche dell’effetto Joule

L’effetto Joule è particolarmente importante ai fini della costruzione e del funzionamento delle apparecchiature elettriche.

Il fenomeno del riscaldamento dei conduttori al passaggio della corrente elettrica è quasi sempre dannoso, a meno che esso non sia appositamente ricercato, come nel caso della stufa elettrica.

Quando un conduttore elettrico è attraversato da una corrente elettrica eccessiva, in termini tecnici sovracorrente, esso può essere soggetto a danni irreversibili a causa dell’eccessivo riscaldamento. È dimostrato che la maggiore causa di incendi nelle abitazioni civili è dovuta all’effetto delle sovracorrenti negli impianti elettrici.

Esistono due tipi di sovracorrenti:

  • le correnti di sovraccarico;
  • le correnti di cortocircuito.

I conduttori elettrici presenti negli impianti elettrici vengono protetti dalla presenza di eventuali sovracorrenti mediante l’utilizzazione di apparecchiature di protezione quali i fusibili e gli interruttori magnetotermici.

Il fusibile è il più semplice tra i dispositivi di protezione e viene utilizzato generalmente per proteggere una linea dalle correnti di cortocircuito. Esso viene posto in serie alla linea che si vuole proteggere ed interviene interrompendo la linea quando il valore della corrente che lo attraversa è tale da provocare la fusione di un suo elemento fusibile, da cui il nome di fusibile.

Gli interruttori automatici megnetotermici sono dispositivi meccanici di interruzione della corrente. essi sono dotati di un apposito dispositivo di sgancio che provoca l’apertura automatica dei contatti quando la corrente che lo attraversa supera un determinato valore per un certo tempo. Il tempo di intervento dipende dal valore della corrente di guasto.