Finora abbiamo visto la relazione che lega la tensione e la corrente alla potenza elettrica e quindi anche all'energia consumata per produrre calore.
Ma ricordando che l'effetto termico è dovuto alla resistenza che le cariche costituenti la corrente incontrano da parte degli atomi di ogni conduttore, si può intuire che l'energia consumata dipende direttamente dalla resistenza e dalla corrente.
Occorre quindi conoscere la relazione che lega queste due grandezze all'energia per sapere come esse influiscono su quest'ultima; per swmplicità, si può fare riferimento all'energia consumata in ogni secondo, cioè alla potenza elettrica.
La relazione suddetta è stata enunciata dal fisico inglese James Prescott Joule (1818 - 1889), e viene chiamata perciò effetto joule. La legge di Joule si può quindi anche enunciare nel modo seguente: la potenza elettrica consumata da una resistenza per produrre una determinata quantità di calore ad ogni secondo si ottiene moltiplicando la resistenza per il quadrato della corrente che la attraversa e cioè P=R*I2.
Se la resistenza e la corrente sono misurate rispettivamente in ohm ed in ampere, la potenza elettrica risulterà espressa in watt.
Questa relazione si può anche dedurre da quella già vista, e cioè: P = V * I. Infatti, per la legge di Ohm, la tensione V ai capi di una resistenza è data da V = R * I; pertanto, sostituendo a V il prodotto R * I, si ottiene : P = R * I * I = R * I 2
Da questa formula si deduce che, se si raddoppia il valore di R, risulta raddoppiata anche la potenza P.
Se la resistenza R aumentasse tre volte, quattro volte, ecc, rimanendo sempre costante la corrente I, anche la potenza P aumenterebbe rispettivamente tre volte, quattro volte, ecc; si vede dunque che la potenza elettrica P aumenta tante volte quante volte aumenta la resistenza (mantenendo costante la corrente che circola nella resistenza).
Supponiamo, invece, che la stessa resistenza sia attraversata da una corrente doppia: in questo caso raddoppieranno sia il secondo sia il terzo fattore del prodotto ( cioè la corrente I ) e di conseguenza la potenza elettrica P aumenterà 4 volte.
Se la corrente I aumentasse 3 volte, la potenza P aumenterebbe 9 volte (3 * 3 = 3 2 = 9), mentre, se la corrente aumentasse 4 volte, la potenza aumenterebbe 16 volte e così via.
Si può pertanto affermare che la potenza P aumenta con il quadrato della corrente.
Vediamo ora come si deve fare per calcolare la potenza elettrica P conoscendo la resistenza R e la tensione V ai suoi capi.
Partendo sempre dall'espressione P=V*I, è possibile sostituire alla corrente I il rapporto V/R ( legge di Ohm) e pertanto si può scivere:P=V*I = V* V/R = V2/R.
Si può subito rilevare che, se il valore di R si dimezza, il valore di P raddoppia, mentre se V aumenta, ad esempio raddoppia, P aumenterà 4 volte. Se V aumenta 3 volte, P aumenterà 9 volte e così via.
Si deduce perciò che la potenza elettrica P aumenta con il quadrato della tensione
A questo punto si è in grado di calcolare la potenza e quindi l'energia elettrica consumata per produrre calore, conoscendo due qualsiasi delle tre grandezza ( tensione, corrente, resistenza) da cui dipende il funzionamento dei circuiti elettrici.
Ma quanto calore si ottiene consumando una determinata energia? La risposta a questa domanda è stata data dallo stesso Joule, in base agli esperimenti da lui compiuti,
Anzitutto, per conoscere quanto calore viene ottenuto è necessario saper misurare una quantità di calore e fissare a questo scopo un'unità di misura adatta.
Per eseguire questo tipo di calcolo si sfrutta il fatto che, quando un corpo riceve calore, la sua temperatura aumenta; poichè questa può essere misurata facilmente con un termometro, dall'aumento della tewmperatura è possibile dedurre la quantità di calore ricevuta dal corpo.
In questo modo si è anche definita l'unità di misura della quantità di calore, la quale è stata chiamata caloria (simbolo cal): infatti si è stabilito cha la caloria è la quantità di calore occorrente per aumentare di un grado centigrado (da 14,5 °C a 15,5 °C) la temperatura di un grammo di acqua.
Per le quantità di calore, che normalmente si usano in pratica, è conveniente usare la KILOCALORIA (simbolo kcal), la quale viene definita facendo riferimento ad un kilogrammo di acqua invece che ad un grammo; evidentemente la kilocaloria risulta mille volte maggiore della caloria, così come un kilogrammo è mille volte maggiore di un grammo.
Joule compì i suoi esperimenti misurando la quantità di calore che veniva fornita all,acqua da un conduttore di resistsenza nota, immerso in essa e percorso da una corrente pure nota durante un tempo determinato.
Egli riuscì così a determinare che per ogni joule di energia consumata si ottengono 0,238 cal; questa quantità di calore è chiamata equivalente termico dell'energia.