Come spiegare la legge di Joule

Tramite: O2O 02/11/2021
Difficoltà: media
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Introduzione

La fisica è una materia non molto amata dagli studenti ma di fondamentale importanza; infatti è assieme alla matematica la base di tutte le materie scientifiche. Per questo motivo occorre studiarla con passione e soprattutto far propri i concetti fondamentali. Premesso ciò, va altresì aggiunto che una delle leggi più importanti della fisica è quella di Joule e per spiegarla è necessario approfondire l'argomento in quanto può essere eseguita in diversi modi. A tale proposito, ecco una guida con le istruzioni su come spiegare la legge di Joule.

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Occorrente

  • Testi di fisica
  • Strumenti da laboratorio
  • Materiali vari
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Gli elettroni scaldano gli atomi di un conduttore

Spiegando la legge di Joule in modo sperimentale, si può osservare come durante il passaggio di elettroni in un conduttore, quest'ultimo si scalda a causa delle resistenze dovute agli atomi di cui si compone. Nello specifico in questo caso viene ceduta dell'energia sotto forma di reazione termica (effetto Joule) che è pari a quella fornita agli elettroni dal generatore, affinché questi possano spostarsi dal polo positivo a quello negativo all'interno dello stesso.

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Il calorimetro misura la trasformazione dell'energia

A questo punto della guida su come spiegare la legge di Joule, va detto che una volta descritte le basi del concetto, vale la pena soffermarsi su quali sono le teorie che regolano la trasformazione di energia in calore in un conduttore percorso da corrente. A tal fine può essere utilizzato un apposito strumento noto come calorimetro. Con quest'ultimo vengono rilevate diverse misurazioni utilizzando in un primo momento sempre lo stesso conduttore più volte, e poi successivamente anche un altro diverso sia in termini di lunghezza, sezione o materiale. Premesso ciò, va inoltre detto che in una prima serie di prove mantenendo costante il tempo T, viene misurata mediante il calorimetro la quantità di calore sviluppata quando il conduttore viene percorso da correnti di intensità I diverse una dall'altra ma costanti. Lo scopo è di ottenere per ogni singola prova un regime stazionario. Per una seconda prova viene invece misurata la quantità di calore sviluppata, facendo però variare il suddetto tempo T e mantenendo costante l'intensità della corrente.

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Il coefficiente di calore varia in base al conduttore

A questo punto per completare la spiegazione della legge di Joule ed esaminando i risultati, si giunge alla conclusione che il calore sviluppato è proporzionale al quadrato dell'intensità di corrente ed al tempo impiegato per percorrere un conduttore. Ripetendo l'esperienza con quest'ultimo diverso per lunghezza, sezione o materiale, si osserva tuttavia come il coefficiente di proporzionalità vari al cambiamento del conduttore stesso. In definitiva si ottiene una relazione che rappresenta proprio la legge di Joule e che è enunciabile con la seguente formula: W = R*I^2*T in cui R sta per resistenza del conduttore e dipende da quello impiegato.

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Il conduttore si riscalda in proporzione alla corrente

A margine di questa guida dopo aver espresso la legge di Joule in termini strettamente matematici, per spiegare meglio il concetto vale la pena aggiungere che i suoi effetti sono presenti in molti elettrodomestici di uso comune. Per fare un esempio possiamo citare la stufa elettrica che usufruisce proprio della teoria di Joule per far riscaldare il conduttore di cui è dotata sfruttando l'intensità di corrente che l'attraversa. Tuttavia in questo elemento riscaldante spesso i brand costruttori applicano anche delle resistenze che si rivelano ideali per scambiare il calore attraverso un processo noto come conduzione termica.

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