Un element de încălzire este un material sau dispozitiv care convertește direct energia electrică în energie termică sau termică printr-un principiu cunoscut sub numele de încălzire Joule. Încălzirea în juli este fenomenul în care un conductor generează căldură datorită fluxului de curent electric. Pe măsură ce curentul electric curge prin material, electronii sau alți purtători de sarcină se ciocnesc cu ionii sau atomii conductorului creând frecare la o scară atomică. Această frecare se manifestă apoi ca căldură. Prima lege a lui Joule (legea Joule-Lenz) este utilizată pentru a descrie cantitatea de căldură produsă din fluxul de electricitate dintr-un conductor. Acest lucru este exprimat ca,
P=IV sau P=I²R
Din aceste ecuații, cantitatea de căldură generată depinde de curent și tensiune sau rezistența conductorului. În proiectarea elementelor de încălzire, rezistența este factorul cel mai important.
Încălzirea prin Joule este evidentă în toate materialele conductoare cu intensități variate, cu excepția unui tip special de material cunoscut sub numele de supraconductori. În general, pentru materialele conductoare electric, se generează mai puțină căldură, deoarece purtătorii de sarcină pot trece cu ușurință; în timp ce pentru materialele cu rezistență electrică ridicată se generează mai multă căldură. Pe de altă parte, supraconductorii permit fluxul de energie electrică, dar nu produc căldură. De obicei, căldura de la conductori este clasificată ca pierdere de energie. Energia electrică utilizată pentru acționarea echipamentelor alimentate generează încălzire inutilă sub formă de pierderi de cupru, care în cele din urmă nu produce nicio muncă utilă.
Elementele de încălzire electrice, într-un anumit sens, sunt aproape 100% eficiente, întrucât toată energia furnizată este convertită în forma dorită. Elementele de încălzire pot conduce nu numai căldura, ci și transferul de energie prin lumină și radiații. Cu toate acestea, acest lucru este valabil numai pentru rezistențele ideale. Pierderile mici pot fi derivate din capacitatea inerentă și inductanța materialului care transformă energia electrică în câmpuri electrice și, respectiv, magnetice. Având în vedere întregul sistem de încălzire, pierderile sunt cauzate de disiparea căldurii în mediul extern din fluidul de proces sau din încălzitorul însuși. Astfel, sistemul trebuie izolat pentru a utiliza toată căldura generată.
