Effetto Joule

L’energia elettrica dissipata in un resistore si trasforma interamente in calore; tale trasformazione viene detta effetto Joule, ed è di fondamentale importanza in alcuni utilizzatori che hanno lo scopo di trasformare l’energia elettrica in calore, come ad esempio stufe elettriche, riscaldatori, ecc.


Per calcolare la quantitél di calore corrispondente ad un dato valore di energia, dobbiamo ricordare l’equivalenza fra calore ed energia


1 Kilocaloria = 4188 Joule

La quantità di calore prodotto in un resistore percorso da corrente nell’intervallo di tempo t, risulta

dove le potenze sono misurate in watt, ed il tempo in secondi.

Negli apparecchi non destinati a produrre calore, l’effetto Joule rappresenta invece una perdita, e deve essere ridotto al minimo.

Il calore generato provoca nei conduttori un aumento di temperatura, che deve essere limitato allo scopo di non danneggiare i materiali isolanti.

Si definisce densità di corrente, e si indica con il simbolo σ, il rapporto fra la corrente e la sezione del conduttore:

dove la sezione s è misurata in m2, la corrente in A, e quindi la densità in A/m2. Poiché in genere i fili sono di piccola sezione la densità viene spesso misurata in A/mm2.

Per contenere l’aumento di temperatura nei conduttori si deve limitare la densità di corrente al di sotto di determinati valori, per valutare i quali è necessario definite altre grandezze:
—— resistenza termica k: rapporto fra la sovratemperatura ΔT del conduttore rispetto all’ambiente, e la potenza trasformata in calore;

Il calcolo di K non é semplice, e molto spesso il suo valore viene determinato sperimentalmente. Essa e comunque inversamente proporzionale alla superficie del conduttore In contatto con l’ambiente.

-—— potenza per unità di volume p, trasformata in calore:

 

dove ρ è misurata in ohm*m, σ in A/m2, ed il volume v in m3.

Per mezzo delle grandezze appena definite si pub finalmente calcolare la massima densità di corrente σ accettabiie in un conduttore. Nota la sovratemperatura massima ammessa, ΔT si ricava la massima potenza dissipabile P

 

Per sfruttare meglio i conduttori disponibili si debbono adottare valori di σ elevati; si adottano perciò i seguenti provvedimenti, suggeriti dalla relazione appena scritta:

  1.  si utilizzano materiali isolanti resistenti ad alta temperatura, in modo da aumentare la sovratemperatura massima ammessa ΔT.
  2.  Si tiene bassa la resistività ρ, adottando conduttori in rame, o talvolta in alluminio.
  3.  Si riduce la resistenza termica K, aumentando la superficie in contatto con l’ambiente; a parità di sezione i conduttori piatti presentano una superficie esterna maggiore rispetto a quelli circolari; per questo motivo le piste dei circuiti stampati sopportano densità di corrente superiori a quelle supportate dai fili tondi.

Quando la dissipazione naturale del calore prodotto non è più sufficiente. si riduce ulteriormente il valore di K ricorrendo alla ventilazione forzata, o addirittura al raffreddamento in olio o in acqua.

Si riportano alcuni valori orientativi di densità, per diverse applicazioni:

Conduttori in impianti civili                       3 ÷ 5 A/mm2

Avvolgimenti di macchine elettriche        6 ÷ 10 A/mm2

Piste di circuiti stampati                          10 ÷ 20 A/mm2 

I valori minori vengono adottati per i conduttori  di maggior sezione, o per le macchine di maggiori dimensioni, poiché in questi ultimi si ha un minor valore del rapporto superficie/volume.

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