Qual è l’effetto Joule e a cosa serve

Ciao, benvenuto nel nostro blog, nell’articolo di oggi vediamo: Qual è l’effetto Joule e a cosa serve.

Si chiama come effetto joule a un fenomeno per il quale Sale la temperatura di un conduttore, attraverso il quale circola energia elettrica, i cui atomi si scontrano tra loro, provocando la trasformazione dell’energia cinetica degli elettroni in calore. Questo fenomeno è irreversibile.

Il nome deriva da James Prescott Joule un fisico britannico che scoprì che in un filo gli elettroni si muovono in modo disordinato, facendo collidere i nuclei atomici, causando perdita di energia cinetica e aumentando la temperatura del filo.

Storia dell’effetto Joule

Sebbene sia stato James Prescott Joule a studiare questo fenomeno, noto anche come riscaldamento resistivo, nel 1841; è stato anche studiato in modo indipendente nel 1842 da Enrico Lenza.

L’esperimento di Joule consisteva nell’immergere un filo nell’acqua e poi far passare una corrente elettrica attraverso il filo per mezz’ora. Data la variazione di corrente e la lunghezza del filo utilizzato, concluse che la formula per il calore prodotto era proporzionale al quadrato della corrente per la resistenza elettrica del filo.

Modello drude

Il modello di Drude viene utilizzato per spiegare l’effetto Joule dal punto di vista della fisica classica, in quanto questo modello spiega che i materiali elettricamente conduttivi sono costituiti, a livello microscopico, da una rete immobile di ioni composta dai nuclei atomici del materiale conduttore e dai loro elettroni fissi; questo reticolo è circondato da una nuvola di elettroni liberi che impediscono agli ioni di respingersi a vicenda; questo a sua volta permette la formazione del reticolo ionico fisso.

La temperatura del materiale crea energia che permette alla nuvola di elettroni di muoversi in modo caotico, ma poiché non è direzionale, questa energia non produce una corrente elettrica netta. Tuttavia, quando applichiamo un campo elettrico costante, fa sì che gli elettroni abbiano un movimento diretto e un’accelerazione costante, sebbene sia necessario un fattore che rallenti gli elettroni ed eviti un eccesso. Questo fattore si verifica naturalmente quando gli elettroni entrano in collisione con uno ione immobile e trasferiscono parte della loro energia al reticolo ionico, che li rallenta.

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Questi crash possono essere favoriti da alcuni fattori:

  • In vibrazioni termicheperché maggiore è la temperatura, maggiore è la resistività.
  • difetti puntuali come possono essere vacanze, cioè l’assenza di atomi prodotti ad alta temperatura; difetti interstiziali, quando gli atomi hanno posizioni errate; qualunque impurità isolate, carica o neutra. Più difetti ci sono, maggiore sarà la resistività.
  • difetti lineari, per esempio: dislocazioni o gruppi di atomi fuori dalla loro posizione di equilibrio.
  • difetti superficiali, che possono essere le superfici esterne dei solidi o le loro superfici interne.

Cos’è l’effetto Joule?

Quando un filo riceve corrente, la sua temperatura aumenta. L’energia termica prodotta proviene, indirettamente, dalla sorgente del campo elettrico attraverso gli elettroni liberi e il reticolo ionico. Secondo il metodo di Drude, all’impatto con la griglia, gli elettroni perdono velocità e la griglia si riscalda. Questo aumento di calore è noto come effetto Joule e stabilisce che l’energia trasferita dall’elettrone al reticolo è uguale all’energia cinetica persa.

Applicazioni dell’effetto Joule

Molti dispositivi elettrici e processi industriali utilizzano l’effetto Joule. In questi dispositivi viene chiamato il segmento in grado di trasformare l’energia elettrica in calore “termosifone”

Qual è l'effetto Joule e a cosa serve

Sebbene tutti utilizzino l’effetto Joule per funzionare, esistono diversi modi per diffondere il calore, che divide i sistemi di riscaldamento in sistemi di convezione e sistemi di irraggiamento.

Sistemi di convezione

Il principio della convezione consiste nell’aumentare la temperatura dell’aria in un luogo in modo che l’aria calda salga e l’aria fredda scenda, riscaldandosi. Questo ciclo provoca il riscaldamento dell’ambiente in cui viene eseguito.

La convezione può anche essere suddivisa in base a come ogni sistema la produce:

  • Convezione naturale: Si tratta di un sistema lento che, attraverso resistenze a forma di pannello o di cavo attorcigliato, produce correnti d’aria ascensionali. Il problema di questi sistemi è che bruciano la polvere della resistenza, producendo macchie nere sulla parete dove si trova il dispositivo.
  • convezione con inerzia: È quello utilizzato dai radiatori elettrici, nei quali la resistenza è immersa in un fluido. Detto fluido è generalmente olio. Quando si riscalda, si riscalda anche il termosifone e di conseguenza il luogo in cui ti trovi si riscalda. Il suo svantaggio è che può volerci del tempo per iniziare.
  • convezione forzata: Viene utilizzato dai termoventilatori o termoventilatori che funzionano facendo circolare l’aria attraverso le loro resistenze, con conseguente espulsione dell’aria calda. Sebbene questo processo avvenga rapidamente, va tenuto presente che il livello di energia consumata è elevato.
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Sistemi di radiazione

Questi sistemi utilizzano il radiazioni elettromagnetiche di oggetti vicini alla sorgente di emissione per generare calore. Anche se un punto a favore di questi apparecchi è che il consumo energetico è relativamente basso, vale anche la pena ricordare che se la persona non si trova di fronte al flusso diretto di calore, è probabile che senta freddo. Pertanto, non ottimizzano gli ambienti così come altri sistemi.

Le stufe che utilizzano questa radiazione di solito hanno una luce rossastra, motivo per cui vengono chiamate riscaldamento a infrarossi ad onde corte. Altri riscaldatori a infrarossi sono a onde lunghe ma diffondono il calore in modo più indiretto.

È importante menzionarlo Questa radiazione non è dannosa per la salute delle persone, anche se le ustioni e la secchezza della pelle possono essere causate stando troppo vicino alla fonte di calore o rimanendo più a lungo di quanto raccomandato.

Altri usi pratici dell’effetto Joule

Oltre al riscaldamento con stufe elettriche, esistono altri apparecchi che sfruttano l’effetto Joule:

  • In lampadine a incandescenza che si accendono quando il filamento si riscalda.
  • Il fusibili elettrici che può sciogliersi se il flusso elettrico supera il limite.
  • Il sigarette elettroniche che vaporizzano il glicole propilenico e la glicerina vegetale sfruttano anch’essi il principio dell’effetto Joule.
  • Il termistori che cambiano resistenza al variare della temperatura.

Altre informazioni nel seguente video:

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