Legge di Joule

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La corrente elettrica genera effetti, verificabili attraverso l’esperienza, che sono di diverso tipo: termici, chimici e magnetici. L’effetto chimico è prodotto da una corrente continua in un particolare liquido, detto elettrolita. Si ottengono con questo processo l’argentatura, la nichelatura, la ramatura, la cromatura. L’effetto magnetico, al contrario di quello chimico e termico, si manifesta anche nel vuoto e ha dato ampio sviluppo alla realizzazione di generatori e motori elettrici. L’effetto termico permette il funzionamento di stufe, lavatrici, ferri da stiro, lavastoviglie ed è stato studiato intorno al1848 dall’inglese J. Joule, per cui prende il nome di effetto Joule. Utilizzando conduttori con resistenza, intensità di corrente e intervalli diversi, egli scoprì che la quantità di calore, che si genera in un conduttore,al passaggio di una corrente, durante un intervallo di tempo, è proporzionale alla resistenza R del conduttore, all’intervallo di tempo t e al quadrato dell’intensità di corrente:

Il coefficiente di proporzionalità K non dipende dalla natura dei conduttori. Questa legge scaturisce da quella di Ohm e dal primo principio della termodinamica. Sappiamo, infatti, che il lavoro L, compiuto dal campo, quando la quantità di elettricità passa dal potenziale V_A a V_B è il seguente:

Mantenendo costante la corrente dall’istante zero al tempo t e sostituendo i * t a q nella precedente formula, poiché sappiamo che la quantità di elettricità è q=i*t, si ottiene:

poiché

Sostituendo a ΔV il valore R * i, ottenuto dalla legge di Ohm (ΔV/i=costante=R) si ottiene:

Resta dimostrato che la legge di Joule scaturisce da quella di Ohm e che questa energia, fornita dalle forze elettriche in un conduttore, rappresenta l’energia dissipata, attraversando il conduttore, per effetto dell’attrito.

Dopo la definizione di energia elettrica si può anche definire la potenza elettrica. Essa è una grandezza espressa dal rapporto tra il lavoro e il tempo.

Joule, inoltre, in un vaso di Dewer, contenente acqua, pose un conduttore, inserito in un circuito con un amperometro e un elettrometro, per misurare l’intensità di corrente e la differenza di potenziale. Variando oltre a questi due ultimi parametri, il tempo e facendo il rapporto tra l’energia elettrica e il calore sviluppato dalla corrente, misurato da un termometro, in ogni variazione, costatò che questo rapporto tra l’energia elettrica e la quantità di calore, aveva sempre lo stesso valore. Misurando L in Joule e il calore in calorie si ottiene l’equivalente meccanico della caloria, J_e, estesa in questo modo anche all’energia elettrica:

Sostituendo a L il precedente valore, possiamo trarre il seguente risultato:

che si può egualmente conseguire, come già espresso nella prima formula, nel modo seguente:

Secondo il sistema internazionale, nella già citata definizione di energia elettrica, (V_A - V_B) è espresso in volt, i in ampere, t in secondi e L in joule e secondo il sistema C.G.S gli stessi parametri sono espressi in statvolt, statampere, secondi ed erg.

Per la definizione di potenza, dividendo il lavoro, L = (V_A - V_B) i * t, compiuto dal campo elettrico, per il tempo e semplificando si avrà:

La potenza nel sistema internazionale si misura in watt:

1kilowattora (kWh)=3600s*1000W=3600000 joule (il kilowattora è un multiplo del wattora che corrisponde a mille Wh.)

Il megawattora (Mwh)=1000000 di Wh. E’ usato per grandi potenze, come quelle delle centrali.

Il gigawattora (GWh)=1000000000Wh

Il terawattora=10¹² Wh

Il petawattora=10¹⁵ Wh

Di ogni multiplo esiste il sottomultiplo.

In sintesi l’unità di misura dell’energia elettrica è il joule (J), definita, come l’energia elettrica, sviluppata dalla corrente di 1 ampere in un secondo con la differenza di potenziale di 1 volt.

Allo stesso modo il watt indica la potenza di una corrente elettrica di un ampere con la differenza di potenziale di un volt.

Supponiamo di avere un ferro da stiro con una tensione di 220 volt e che assorbe una corrente di 6 ampere. La sua potenza è:

P=220V*6A=1320 W oppure 1,320 KW.

Ogni apparecchio elettrico ha una sua potenza, ma la quantità di energia, necessaria per il suo funzionamento oltre che dalla potenza dipende anche dal tempo del suo funzionamento. L’energia utilizzata e consumata da una lampadina, dipende oltre che dalla potenza dal numero di ore che resta accesa e quindi l’energia assorbita e consumata si ottiene moltiplicando la potenza per il tempo.

Una lampadina con una potenza di 60 W resta accesa ogni giorno per 6 ore. Quanta energia consuma in un mese?

30*6=180ore

P*t=60*180=10800Wh

10800/1000=10,8 KWh