Come spiegare la legge di Joule

La fisica è una materia non molto amata dagli studenti, ma di fondamentale importanza. Infatti la fisica è, assieme alla matematica, la base di tutte le materie scientifiche. Per questo occorre studiarla con passione e sopratutto far propri i concetti fondamentali. Una delle leggi più importanti della fisica è la legge di Joule, riguardo la forza. È un argomento molto richiesto, anche agli esami, per cui bisogna prestare molta attenzione a non tralasciare nessuna nozione. La spiegazione della legge di Joule può essere eseguita in diversi modi. Questa guida si propone appunto di illustrarvi come spiegare la legge di Joule.

Spiegando la legge in modo sperimentale si può osservare come durante il passaggio di elettroni in un conduttore, questo si scalda a causa delle resistenze dovute agli stessi atomi del conduttore con cui gli elettroni interagiscono. Cioè in questo caso viene ceduta dell'energia sotto forma di energia termica (effetto Joule). L'energia ceduta è pari a quella fornita agli elettroni dal generatore affinché questi possano spostarsi dal polo positivo a quello negativo all'interno del generatore stesso.

Si vede ora quali sono le leggi che regolano la trasformazione di energia in calore in un conduttore percorso da corrente. A tal fine può essere utilizzato un calorimetro. Vengono fatte diverse misurazioni utilizzando, in un primo momento, sempre lo stesso conduttore; le stesse esperienze vengono poi ripetute utilizzando un conduttore diverso per lunghezza, sezione o materiale:
- in una prima serie di prove, mantenendo costante il tempo t della prova, 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 durante ciascuna singola prova in modo da avere un regime stazionario.
- in una seconda prova viene misurata la quantità di calore sviluppata facendo variare il tempo t e mantenendo costante l'intensità della corrente I.

Esaminando i risultati si giunge alla conclusione che il calore sviluppato è proporzionale al quadrato dell'intensità di corrente ed al tempo. Ripetendo l'esperienza con un conduttore diverso, per lunghezza, sezione o materiale, si osserva come il coefficiente di proporzionalità vari al variare del conduttore. Si ottiene in definitiva una relazione del tipo (legge di Joule):
W = R*I^2*t in cui R, resistenza del conduttore, dipende dal singolo conduttore impiegato.

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