La legge di Joule, nell'ambito dell'elettronica, è una legge fisica che afferma che la quantità di calore prodotta da una corrente elettrica in un conduttore è direttamente proporzionale al quadrato dell'intensità della corrente, alla resistenza del conduttore e al tempo in cui la corrente attraversa il conduttore stesso.
L'energia elettrica viene consumata per ottenere un lavoro oppure calore. Ad esempio quando accendiamo una lampadina, il suo filamento diventa incandescente fino a produrre luce. Questo è determinato da un consumo di energia che è di natura elettrica.
In realtà l'energia non si consuma ma viene trasformata ad un altro tipo di energia, in energia meccanica (lavoro) oppure in energia termica (calore).
Il calore prodotto dall'energia elettrica è dovuto all'effetto termico della corrente stessa e consiste nel riscaldamento di un conduttore da parte della corrente elettrica che lo attraversa.
Quando in un conduttore viene fatta circolare una corrente elettrica, il passaggio degli elettroni viene ostacolato dagli atomi contro i quali vanno a urtare gli elettroni stessi che nell'urto cedono una parte della loro energia scaldando così il conduttore.
Tutte le cariche costituenti la corrente che circola nel circuito sono uguali tra loro.
Nella Fig. 1 le due resistenze R1 e R2 collegate in serie sono uguali quindi la tensione (24V) fornita dal generatore si suddivide in parti uguali tra esse.
Ai capi delle due resistenze, C e E, è presente la stessa tensione presente ai capi A e B cioè 12V.
Le due resistenze essendo uguali forniscono ognuna metà del calore prodotto completamente dal riscaldatore pertanto in ciascuna delle resistenze si consuma metà dell'energia posseduta dall'elettrone che le attraversa.
Nel punto C l'elettrone ha tutta la sua energia (24V) (il punto C ha un potenziale superiore a quello del punto E). L'elettrone dopo aver attraversato la prima resistenza R1, nel punto D ha soltanto una metà della sua energia perchè l'altra metà si è consumata per produrre calore (il punto D ha un potenziale che è la metà di quello del punto C) quindi ad una diminuzione di energia, subita dall'energia dell'elettrone nell'attraversare la resistenza, corrisponde una equivalente diminuzione del potenziale ai capi della resistenza stessa.
L'energia che si consuma per produrre calore quando un elettrone attraversa una resistenza si ottiene dalla differenza tra i potenziali che si hanno prima e dopo la resistenza stessa.
Questa differenza di potenziale è la tensione presente ai capi della resistenza pertanto la tensione ai capi di una resistenza indica l'energia di un elettrone consumata per produrre calore.
Per trovare l'energia utilizzata durante un secondo per produrre calore occorre moltiplicare la tensione applicata al riscaldatore (Fig. 1) per la corrente che lo attraversa. Questa energia rappresenta la potenza elettrica del riscaldatore quindi la potenza elettrica di un apparecchio elettrico corrisponde all'energia assorbita da questo apparecchio in un secondo e si ottiene moltiplicando la tensione applicata all'apparecchio per la corrente che lo attraversa:
P = V x I
L'unità di misura della potenza elettrica è il Watt (W). Per le potenze molto grandi si usa il kilowatt (kW), mille volte più grande del Watt, invece per le potenze molto piccole so usa il milliwatt (mW), un millesimo di Watt.
L'energia consumata da un apparecchio elettrico mantenuto in funzione per un tempo determinato si ottiene moltiplicando la sua potenza, espressa in W, per il tempo indicato in secondi. L'unità di misura di tale energia è il Joule, Watt per secondo.
Di solito però gli apparecchi elettrici non funzionano per pochi secondi ma per molte ore quindi per calcolare l'energia consumata si moltiplica la potenza in W per le ore. In questo caso l'energia non risulta espressa in Watt per secondo, Joule, ma in Watt per ora, Wattora (Wh). Considerato che in un ora ci sono 3600 secondi il wattora vale 3600 Joule.
Altra unità di misura è il kilowattora (kWh) che vale 1000 Watt.
Il fisico James Prescott Joule enunciò la relazione che lega la resistenza e la corrente all'energia:
la potenza elettrica consumata da una resistenza per produrre una determinata quantità di calore ad ogni secondo si ottiene moltiplicando la resistenza per il quadrato della corrente che la attraversa:
P = R x I²
Se la resistenza è misurata in ohm e la corrente (I) è misurata in ampere (A) la potenza elettrica sarà espressa in Watt (W).
Questa relazione è stata già vista precedentemente
P = V x I
Per la legge di Ohm il valore della tensione (V) ai capi di una resistenza si trova moltiplicando la resistenza per la corrente , cioè
V = R x I
quindi sostituendo a V il prodotto di R x I si ottiene:
P = R x I x I = R x I²
Da ciò si deduce che la potenza elettrica P aumenta tante volte quante volte aumenta la resistenza R rimanendo sempre costante la corrente I che circola nella resistenza.
Nel caso in cui la resistenza sia attraversata da una corrente doppia la potenza elettrica P aumenterà quattro volte. Se la corrente I aumenta di tre volte la potenza elettrica P aumenterà di nove volte, e così via.
Pertanto la potenza elettrica P aumenta con il quadrato della corrente.
Vediamo come calcolare la potenza elettrica P conoscendo la resistenza R e la tensione V ai suoi capi.
Abbiamo visto che la potenza è data moltiplicando la tensione per la corrente
P = V x I
Nella legge di Ohm la corrente si trova dividendo la tensione per la resistenza
I = V / R
quindi sostituendo alla corrente I il rapporto V / R abbiamo:
P= V x I = V x V / R = V² / R
Si rileva che dimezzando il valore di R il valore P raddoppia mentre se V aumenta di due, tre, quattro volte, P aumenterà quattro, nove, sedici volte e così via.
Pertanto la potenza elettrica P aumenta con il quadrato della tensione.
A questo punto, conoscendo due qualsiasi delle tre grandezze, tensione, resistenza, corrente, si è in grado di calcolare la potenza e quindi l'energia elettrica consumata per produrre calore.
