Efecte Joule

Efecte Joule

Un element calefactor consistent en un aram enrollado d'una tostadora elèctrica, a on s'observa l'incandescència de to roig a groc.

Es coneix com a efecte Joule al fenomen físic irreversible pel qual si en un conductor circula corrent elèctrica, part de l'energia cinètica dels electrons es transforma en calor pels constants chocs que sofrixen en els àtoms del material conductor pel que circulen, elevant la temperatura del mateix. El moviment dels electrons en un aram és desordenat; açò provoca contínues colisions en els núcleus atòmics i com a conseqüència, una pèrdua d'energia cinètica i un aument de la temperatura en el propi aram.

El nom és en honor al seu descobridor, el físic britànic James Prescott Joule.

Història

El calfament resistivo va ser estudiat primer per James Prescott Joule en 1841 i, independentment, per Heinrich Lenz en 1842.

Joule va sumergir un tros d'aram en una massa fixa d'aigua i va medir l'aument de temperatura causada pel pas d'una corrent coneguda que va fluir a través de l'aram durant un periodo de 30 minuts. Per mig de la variació de la corrent i la llongitut de l'aram va deduir que la calor produïda era proporcional al quadrat de la corrent multiplicat per la resistència elèctrica de l'aram.

Fonaments microscòpics

Model de Drude

Per a explicar el fenomen des de la física clàssica, es pot utilisar el model de Drude.

Este model supon que un material conductor està format microscópicamente per una ret d'ions positius immòvils rodejats per electrons lliures movent-se per la ret que vénen a conformar un núvol d'electrons. Els ions estan formats pel núcleu de l'àtom de material conductor i els seus electrons no lliures. Este núvol d'electrons lliures evita que els ions es repelixquen, permetent aixina que estos conformen la ret o estructura atòmica del material. El núvol d'electrons es troba en moviment caòtic per l'energia proporcionada per la temperatura, pero no produïx una corrent elèctrica neta perque no és direccional.

En aplicar un camp elèctric constant, est eixercix una força sobre els electrons que tendix a donar-li una direcció i un sentit al seu moviment. Esta força constant produïx una acceleració constant sobre l'electró, com ho prediu la segona llei de Newton. Si la força del camp elèctric fora l'única que existix sobre els electrons, llavors s'originarien corrents arbitrariamente grans, ya que la velocitat aumentaria linealment en el temps.

No obstant, deu existir un factor que llimite la velocitat dels electrons i, per lo tant, la corrent. Este factor sorgix naturalment quan considerem l'efecte de l'interacció dels electrons lliures i la ret de ions fixos. Els electrons choquen en un ion i, en este choc, transferixen la seua energia a la ret de ions, reduint la seua velocitat.

Les colisions entre els electrons i la ret són favorides per:

• Vibracions tèrmiques: a major temperatura, major resistividad.
• Defectes puntuals: a major número d'ells, major resistividad. Estos defectes poden ser: vacants (absència d'àtoms produïts a altes temperatures), defectes intersticiales (àtoms que estan en posicions incorrectes en la ret) o impurees aïllades (carregades o neutres).
• Defectes llineals: recalcada, grups d'àtoms desplaçats de la seua posició d'equilibri.
• Defectes superficials, com les superfícies externes dels sòlits o les superfícies internes (llímits del gra, etcétera).

Quan pansa corrent per un aram aumenta la seua temperatura. L'energia tèrmica que aixina s'obté és produïda indirectament per la font del camp elèctric, a través dels electrons lliures i la ret. De l'hipòtesis de Drude, que supon que en cada colisió en la ret l'electró disminuïx la seua velocitat, s'espera que la ret es calenta. Este aument de temperatura és l'efecte Joule. L'energia que transferix un electró a la ret per una colisió és igual a l'energia cinètica perduda en dita colisió.