Efecte Joule

L'efecte Joule,també anomenatllei de Joule,és la manifestaciótèrmicade laresistència elèctrica.Si en unconductor elèctriccirculaelectricitat,una part de l'energia cinèticadels electrons es transforma en calor a causa del xoc que experimenten elselectronsamb lesmolèculesdel conductor per on circulen, cosa que fa augmentar latemperaturadel conductor. S'anomena així en honor del físic anglèsJames Prescott Joule.

Elssòlidstenen, generalment, unaestructura cristal·lina,en què elsàtomso molècules ocupen elsvèrtexsde les cel·les unitàries, i de vegades també el centre de la cel·la o de les seves cares. Quan elcristallés sotmès a unadiferència de potencial(ddp), els electrons són impulsats pelcamp elèctrica través del sòlid i en el seu recorregut han de travessar la densa xarxa d'àtoms que el forma. En el seu camí, els electrons xoquen amb aquests àtoms i perden una part de la seva energia cinètica (velocitat), que és cedida en forma de calor.

Aquest efecte es va definir de la manera següent:

La quantitat d'energia caloríficaproduïda per un corrent elèctric és directament proporcional al quadrat de la intensitat del corrent quan circula pel conductor i a la resistència que oposa aquest conductor al pas del corrent.

Matemàticament:

$Q=I^{2}\times R\times t$

on:

Q= Energia calorífica produïda pel corrent

I= Intensitat del corrent que circula

R= Resistència elèctrica del conductor

t= Temps

El funcionament de lesbombeteses basa en l'efecte Joule: el filament és una resistència que amb el pas del corrent s'escalfa fins a posar-seincandescent.

On les magnituds han d'estar expressades en un mateixsistema d'unitats.Així, si expressem la intensitat enampers(A), la resistència enohmsi el temps ensegons,obtenim la calor produïda enjoules(J).

En aquest efecte es basa el funcionament de diferentselectrodomèstics,com, per exemple, els forns, les torradores, les calefaccions elèctriques i alguns aparells usats industrialment, en què l'efecte buscat és, precisament, la calor que desprèn el conductor a causa del pas del corrent. Lesbombetestambé es basen en aquest fenomen per escalfar elfilamentfins que produeix llum per incandescència. En la gran majoria de les aplicacions, però, és un efecte indesitjat i la raó per la qual els aparells elèctrics i electrònics (com l'ordinador en què llegiu això) necessiten dissipadors, a part d'un o mésventiladorsque foragiten l'escalfor generada i eviten així l'escalfament excessiu dels diferents components i/o dispositius.

Història

James Prescott Jouleva mencionar l'efecte Joule per primera vegada el desembre de 1840, quan va publicar un resum delProceedings of the Royal Society,que suggeria que la calor es podria generar per un corrent elèctric. Joule va submergir un filferro amb una determinadallargadaen una massa fixa d'aigua i va mesurar l'augment de temperatura a causa del corrent conegut que circulava pel fil durant un període de 30 minuts. Al variar el corrent i la longitud del cable va poder deduir la fórmula que describia l'efecte: la calor produïda era proporcional al quadrat del corrent multiplicat per la resistència elèctrica del cable immers.

Entre 1841 i 1842, els experiments posteriors van mostrar que la quantitat de calor generada era proporcional al'energia químicautilitzada en lapila voltaicaque generava el corrent. Això va portar a Joule a rebutjar lateoria del calòric,que era en aquest moment la teoria dominant, a favor de lateoria mecànica de la calor,segons la qual la calor és una altra forma diferent d'energia.

Heinrich Lenztambé va estudiar independentment la calefacció resistiva l'any 1842, motiu pel qual la llei també s'anomena Llei de Joule-Lenz.

Launitat del Sistema Internacionalde l'energiava ser anomenada posteriorment com a "joule",amb el símbol J, en honor de James Prescott Joule. La unitat depotènciautilitzada comunament, elwatt,equival a un joule persegon.

Descripció microscòpica de l'efecte Joule

Vegeu també:Resistivitat,Conductivitat elèctrica,Model de Drude,iVelocitat de deriva

A nivell microscòpic, l'escalfament de Joule és causat per interaccions entre elsportadors de càrrega,normalmentelectrons,i el cos del conductor, generalmentatòmsoions).

Unadiferència de potencialentre dos punts concrets d'un conductor genera uncamp elèctricque accelera els portadors de càrrega en la direcció del camp, donant-los unaenergia cinètica.Quan les partícules carregades xoquen amb els ions o àtoms del conductor, les partícules es dispersen, és a dir, la seva direcció de moviment es converteix en aleatòria en comptes de alineada amb el camp elèctric, el que constitueix un moviment tèrmic. Així, l'energia del camp elèctric es converteix en energia tèrmica.

Pèrdua d'energia i soroll

L'escalfament Joule es coneix com escalfament ohmic o escalfament resistiu per la seva relació amb lallei d'Ohm.És la base d'un gran nombre d'aplicacions pràctiques que impliquen calefacció elèctrica. No obstant això, en aplicacions en les quals l'escalfament no és un subproducte desitjat (per exemple, les pèrdues de càrrega en transformadors elèctrics) el canvi d'energia elèctrica a energia tèrmica es coneix sovint com a pèrdua resistiva. L'ús d'altes tensions en sistemes detransmissió d'electricitatestà dissenyat específicament per reduir aquestes pèrdues respecte en el mateix cablejat si funcionés a corrents inferiors. L'escalfament Joule no es produeix enmaterials superconductors,ja que aquests materials tenen una resistència elèctrica nul·la ($R=0$,i per tant$Q=0$).

Lesresistències elèctriquescreen soroll elèctric, anomenat tambésoroll Johnson–Nyquist.Hi ha una relació íntima entre aquest soroll de Johnson–Nyquist i l'escalfament de Joule, explicada pelteorema de fluctuació-disipació.