Een verwarmingselement is een materiaal of apparaat dat elektrische energie direct omzet in warmte of thermische energie via een principe dat joule-verwarming wordt genoemd. Joule-verwarming is een fenomeen waarbij een geleider warmte opwekt door de stroom van elektrische stroom. Wanneer een elektrische stroom door het materiaal stroomt, botsen elektronen of andere ladingdragers met de ionen of atomen van de geleider, waardoor wrijving ontstaat op atomaire schaal. Deze wrijving manifesteert zich dan als warmte. De eerste wet van Joule (wet van Joule-Lenz) wordt gebruikt om de warmte te beschrijven die wordt gegenereerd door een elektrische stroom in een geleider. Dit wordt uitgedrukt als,
P=IV of P=I²R
Volgens deze vergelijkingen hangt de opgewekte warmte af van de stroom, spanning of weerstand van het geleidermateriaal. Bij het ontwerp van het gehele verwarmingselement is weerstand een belangrijke factor.
Siliconenrubber verwarming siliconen olievat verwarmingsriem
Siliconenrubber verwarming siliconen olievat verwarmingsriem
Joule-opwarming is zichtbaar in alle geleidende materialen van verschillende intensiteit, behalve in een speciaal materiaal dat supergeleider wordt genoemd. Over het algemeen wordt bij geleidende materialen minder warmte gegenereerd omdat ladingsdragers er gemakkelijk doorheen stromen; Voor materialen met een hoge weerstand zal meer warmte worden gegenereerd. Supergeleiders daarentegen laten stroom vloeien zonder warmte te genereren. Over het algemeen wordt warmte van een geleider geclassificeerd als energieverlies. De elektrische energie die wordt gebruikt om elektrische apparatuur aan te drijven, genereert onnodige warmte in de vorm van transmissieverliezen en levert uiteindelijk geen bruikbare arbeid op.
