Effetto Joule: il calore generato nei fili elettrici

L’elettricità può diventare calore in modo prevedibile e misurabile. Studiato anche a scuola, l’effetto Joule quantifica questo fenomeno. Vediamo cos’è.

Effetto Joule: definizione e collegamento con la resistenza elettrica

L’effetto che porta il suo nome fu formalizzato da James Prescott Joule nel 1840 è il fenomeno per cui l’energia elettrica che attraversa un conduttore si trasforma in calore. Quando una corrente I scorre in un materiale con resistenza R, parte dell’energia fornita dal generatore viene dissipata come energia termica secondo la relazione

Q = I² R t

dove t è il tempo nel quale c’è stata conduzione di corrente. In termini di potenza dissipata la formula diventa

P = I² R

Più grande è la resistenza, maggiore è la parte di energia che si converte in calore: nei metalli la resistività è in genere bassissima poiché sono buoni conduttori di elettricità, ma in base alle loro caratteristiche geometriche la resistenza può cambiare di molto. Come suggerisce la seconda legge di Ohm, un filo più è sottile più ha resistenza elevata. Poiché l’effetto dipende dal quadrato della corrente, piccoli incrementi di intensità hanno un impatto rilevante sulla potenza dissipata.

Meccanismo microscopico: collisioni elettroniche e vibrazioni reticolari

A scala microscopica l’effetto Joule si origina da urti ripetuti tra gli elettroni conduttori e gli ioni “fissi” del reticolo cristallino. In assenza di campo elettrico gli elettroni liberi in un metallo si muovono in direzioni casuali con velocità elevate, ma questa casualità non genera alcuna corrente netta. Collegare il conduttore ad un generatore porta all’applicazione di una differenza di potenziale agli elettroni, che impone un leggero moto collettivo ai portatori di carica, un cosiddetto moto di deriva, che si somma al moto caotico preesistente. Si genera cioè una corrente. Ogni volta che un elettrone impatta contro uno degli ioni “fissi” che costituiscono il conduttore, perde parte della propria energia, che viene trasferita al reticolo atomico del conduttore sotto forma di vibrazioni. Questo processo si ripete innumerevoli di volte al secondo e si manifesta macroscopicamente come un incremento di temperatura. La probabilità di collisione dipende dalle caratteristiche del materiale e da quanto i suoi costituenti (ioni degli atomi ed elettronici) fossero già in stato di agitazione: perciò la resistenza aumenta all’aumentare della resistività (che è una caratteristica propria materiale) e con la temperatura. Da un punto di vista termodinamico gli urti rappresentano una degradazione del lavoro elettrico in energia interna non recuperabile.

Applicazioni pratiche: stufe elettriche, tostapane e fusibili termici

Molti dispositivi domestici traggono vantaggio dall’effetto Joule trasformando energia elettrica in calore controllato. Nelle stufe elettriche una resistenza, che può essere fatta di nichelcromo disposta a spirale o nastro, viene attraversata da corrente; l’elevata resistività del nichelcromo e la sua stabilità alle alte temperature consentono di raggiungere centinaia di gradi senza fondere, scambiando calore per convezione e irraggiamento verso l’ambiente.

Nel tostapane la logica è analoga, ma la geometria dei fili resistivi è studiata per produrre un’intensa radiazione infrarossa a distanza ravvicinata, in modo da dorare la superficie del pane in pochi minuti. Qui l’efficienza dipende dallo spessore del filo, dalla lunghezza del percorso e dall’isolamento termico della camera di tostatura. 

I fusibili rappresentano invece un’applicazione di sicurezza: in alcune tipologie di fusibile un filo metallico calibrato, è scelto affinché la potenza termica I² R lo porti al punto di fusione quando la corrente supera un certo valore prefissato. La fusione interrompe il circuito, proteggendo cavi e dispositivi a valle da surriscaldamenti o cortocircuiti, mentre dei materiali inerti nel fusibile assorbono il calore in eccesso ed evitano la formazione di archi elettrici tra i capi appena distrutti. In tutti e tre i casi l’effetto Joule è sfruttato intenzionalmente, ma con finalità differenti: riscaldare l’aria, cuocere alimenti o fungere da interruttore per un circuito.

Sicurezza elettrica domestica: surriscaldamento da effetto Joule e prevenzione

In un impianto domestico il calore dovuto all’effetto Joule deve rimanere entro i limiti che i conduttori e gli isolanti che gli avvolgono possono sopportare senza degradarsi. Cavi di sezione insufficiente, connessioni allentate o carichi eccessivi accrescono la resistenza in un punto dell’impianto. Di conseguenza, anche con correnti moderate, l’energia dissipata può innalzare la temperatura oltre le possibilità di sopportazione di isolanti, guaine e coperture, di solito realizzati in PVC o gomme. Il rischio principale è la formazione di cortocircuiti o archi elettrici che possono portare ad incendi. I dispositivi di protezione, quali gli interruttori magnetotermici o i fusibili, sono dimensionati per rilevare correnti anomale e aprire il circuito prima che il surriscaldamento dell’impianto diventi critico. Apposite normative specificano i criteri di scelta delle sezioni dei conduttori in funzione della portata di corrente richiesta, considerando anche le condizioni di utilizzo e le temperature.
È inoltre necessario distribuire i carichi (ovvero i dispositivi utilizzati) su più linee e limitare l’uso di adattatori multipli, perché la somma delle correnti su un singolo punto di contatto aumenta la potenza dissipata in quel punto. Questo costituisce una norma di sicurezza che chiunque può applicare. La corretta progettazione dell’impianto evitando soluzioni improvvisate, insieme alla manutenzione, consente di gestire l’effetto Joule come rischio prevedibile, evitando che diventi una sorgente di degrado o pericolo per l’abitazione.

Sapevate che…

a cura di Gianfranco Longo