عنصر التسخين هو مادة أو جهاز يحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى حرارة أو طاقة حرارية من خلال مبدأ يُعرف باسم تسخين جول. تسخين الجول هي الظاهرة التي يولد فيها الموصل الحرارة بسبب تدفق التيار الكهربائي. عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر المادة ، تتصادم الإلكترونات أو ناقلات الشحنة الأخرى مع أيونات أو ذرات الموصل مما يؤدي إلى حدوث احتكاك على نطاق ذري. ثم يتجلى هذا الاحتكاك في صورة حرارة. يستخدم قانون جول الأول (قانون جول لينز) لوصف كمية الحرارة الناتجة عن تدفق الكهرباء في الموصل. يتم التعبير عن هذا على النحو التالي ،
P=IV أو P=I²R
من هذه المعادلات ، تعتمد كمية الحرارة المتولدة على التيار والجهد أو مقاومة الموصل. في تصميم عناصر التسخين ، تكون المقاومة هي العامل الأكثر أهمية.
يتضح تسخين الجول في جميع المواد الموصلة بكثافة متفاوتة ، باستثناء نوع خاص من المواد يُعرف باسم الموصلات الفائقة. بشكل عام ، بالنسبة للمواد الموصلة للكهرباء ، يتم توليد حرارة أقل لأن حاملات الشحنة يمكن أن تتدفق بسهولة ؛ بينما بالنسبة للمواد ذات المقاومة الكهربائية العالية ، يتم توليد المزيد من الحرارة. من ناحية أخرى ، تسمح الموصلات الفائقة بتدفق الكهرباء ولكنها لا تنتج أي حرارة. عادة ، يتم تصنيف الحرارة من الموصلات على أنها فقدان للطاقة. تولد الطاقة الكهربائية المستخدمة لتشغيل المعدات التي تعمل بالطاقة تسخينًا غير ضروري في شكل فقد النحاس والذي لا ينتج عنه في النهاية أي عمل مفيد.
تعتبر عناصر التسخين الكهربائية ، بمعنى ما ، فعالة بنسبة 100 ٪ تقريبًا حيث يتم تحويل كل الطاقة المزودة إلى الشكل المقصود. قد لا تقوم عناصر التسخين فقط بتوصيل الحرارة ولكن أيضًا تنقل الطاقة من خلال الضوء والإشعاع. ومع ذلك ، هذا صحيح فقط بالنسبة للمقاومات المثالية. يمكن اشتقاق خسائر صغيرة من السعة والحث المتأصلين للمادة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى مجالات كهربائية ومغناطيسية ، على التوالي. بالنظر إلى نظام السخان بأكمله ، فإن الخسائر ناتجة عن تبديد الحرارة في البيئة الخارجية من سائل العملية أو من السخان نفسه. وبالتالي ، يجب عزل النظام للاستفادة من كل الحرارة المتولدة.
