La llei de Joule, també coneguda com la primera llei de Joule, és un dels principis fonamentals de la física que regeix el comportament de l'electricitat als materials conductors. Sovint s'utilitza per explicar el fenomen tèrmic que passa quan un corrent elèctric flueix a través d'un conductor.
Si en un conductor elèctric circula electricitat, una part de lenergia cinètica dels electrons es transforma en forma de calor elevant la temperatura del conductor. La calor es genera degut al xoc que experimenten els electrons amb les molècules del material conductor per on circulen.
Definició de llei de Joule
Quan un material conductor transporta electricitat, els electrons en moviment interactuen amb els àtoms i les molècules del conductor, generant fricció a nivell microscòpic. Aquesta fricció produeix calor, un fenomen conegut com a escalfament resistiu.
La magnitud d'aquesta calor està regida per la llei de Joule, que es pot expressar matemàticament mitjançant l'equació:
Q = I² · R · t
on:
- Q = Energia calorífica produïda pel corrent. Al sistema internacional de mesures s'expressa al juliol (J)
- I = Intensitat del corrent que circula expressat en amperes (A)
- R = Resistència elèctrica del conductor expressada en ohms (Ω).
- t = Temps, en segons (s)
L'efecte Joule
La quantitat d'energia calorífica produïda per un corrent elèctric és directament proporcional al quadrat de la intensitat del corrent quan circula pel conductor ia la resistència que aquest conductor oposa al pas del corrent.
Exemples de la llei de Joule
Aquesta llei té una àmplia varietat d'aplicacions a la nostra vida diària ia la tecnologia moderna. A continuació, t'esmentaré alguns dels exemples més destacats:
- Les bombetes amb filament: Les bombetes incandescents són un exemple clàssic de l'aplicació de la llei de Joule. En aquestes, un filament prim de tungstè s'escalfa fins a temperatures extremes quan el corrent passa a través seu, emetent llum visible.
- Els electrodomèstics que generen calor: Molts electrodomèstics es basen en l'efecte Joule per funcionar: forns elèctrics, torradores, calefaccions elèctriques... En tots aquests casos, es pretén generar energia tèrmica amb el pas de l'electricitat pels conductors.
- L'eficiència dels motors elèctrics: En dispositius com ara motors elèctrics i transformadors, l'escalfament resistiu pot afectar l'eficiència.
- Frens d'inducció: Els trens i les muntanyes russes utilitzen frens d'inducció basats en la llei de Joule. reduir la velocitat del vehicle.
- Soldadura per resistència: A la indústria, la soldadura per resistència és una tècnica que aprofita l'efecte Joule per fondre i unir materials metàl·lics. Es fa passar un corrent elèctric a través dels punts de contacte, generant calor suficient per soldar les peces.
- Sistemes de fusió de gel: A les ciutats, s'utilitzen cables calefactors a carreteres i teulades per fondre el gel durant l'hivern. Aquests cables converteixen lelectricitat en calor mitjançant lefecte Joule, millorant la seguretat i reduint el manteniment.
Orígens i història de la llei
El descobriment d'aquest principi és atribuït al físic anglès James Prescott Joule, que va dedicar gran part de la vida a l'estudi de les interaccions entre l'electricitat, el magnetisme i la calor.
El 1841, Joule va demostrar experimentalment que la calor generada per un conductor al pas d'un corrent elèctric és proporcional al quadrat de la intensitat del corrent, a la resistència del conductor i al temps durant el qual flueix el corrent.
No obstant això, també cal esmentar el físic Heinrich Lenz, que de manera independent va formular un principi similar. Per aquesta raó, en alguns textos s'anomena també com a llei de Joule-Lenz.
Inconvenient de lefecte Joule
El principal inconvenient de lefecte joule és la pèrdua de lenergia que es transforma en calor i el sobreescalfament dels sistemes elèctrics.
A la gran majoria de les aplicacions, l'efecte Joule és indesitjat. Per aquesta raó, alguns aparells elèctrics i electrònics necessiten dissipadors de calor per evitar així l'escalfament excessiu dels diferents components i/o dispositius.
Part de la potència elèctrica subministrada es converteix en energia tèrmica que es dissipa en forma de calor. La calor produïda és energia perduda i, per tant, una disminució de l'eficiència.
Efecte de Joule i eficiència d'un sistema solar fotovoltaic
L'efecte Joule pot tenir un impacte significatiu en l'eficiència d'un sistema solar fotovoltaic, especialment a l'etapa de transmissió i emmagatzematge de l'energia generada.
Quan els panells solars converteixen la llum solar en electricitat, el corrent generat s'ha de transportar a través de cables i emmagatzemar-se en bateries o enviar-se a la xarxa elèctrica. Durant aquest procés, es produeix una pèrdua denergia a causa de lescalfament resistiu, descrit per la llei de Joule.
Pèrdues als cables de connexió
En un sistema fotovoltaic, el corrent generat pels panells solars passa a través de cables que connecten els diferents components, com ara l'inversor i les bateries. Si els cables tenen una resistència significativa, part de lenergia es dissipa com a calor, reduint la quantitat delectricitat disponible per al seu ús.
Emmagatzematge en bateries
Quan l'electricitat generada s'emmagatzema en bateries, també es generen pèrdues degut a l'escalfament resistiu intern de les cel·les.
Això pot afectar leficiència de càrrega i descàrrega de les bateries, reduint la quantitat denergia útil disponible.
Per què es transmet l'electricitat per línies d'alta tensió?
Les línies elèctriques aèries transfereixen energia elèctrica dels productors delectricitat als consumidors. Aquestes línies elèctriques tenen una resistència diferent de zero i, per tant, estan subjectes a aquest efecte Joule, cosa que provoca pèrdues en la transmissió.
Per minimitzar les pèrdues de transmissió hi ha dues solucions:
-
Minimitzar la resistència dels conductors. La resistència de la línia es minimitza mitjançant lús de conductors de coure.
-
Augmentar la tensió per baixar la intensitat de corrent dacord amb la llei dOhm. En baixar la intensitat disminueix la quantitat delectrons que circulen pel conductor i, per tant, es redueixen els xocs amb el conductor.