A fűtőelem olyan anyag vagy eszköz, amely közvetlenül átalakítja az elektromos energiát hő- vagy hőenergiává a Joule fűtés néven ismert elven keresztül. A joule fűtés az a jelenség, amikor a vezeték az elektromos áram áramlása miatt hőt termel. Ahogy az elektromos áram átfolyik az anyagon, elektronok vagy más töltéshordozók ütköznek a vezető ionjaival vagy atomjaival, ami atomi léptékű súrlódást okoz. Ez a súrlódás ezután hőként nyilvánul meg. Joule első törvényét (Joule-Lenz törvény) arra használják, hogy leírják a vezetékben a villamos energia áramlásából származó hőmennyiséget. Ez úgy van kifejezve, hogy
P = IV vagy P =I²R
Ezekből az egyenletekből a keletkező hő mennyisége az áramtól, a feszültségtől vagy a vezető ellenállástól függ. A fűtőelemek kialakításában az ellenállás a fontosabb tényező.
Joule fűtés nyilvánvaló minden vezető anyagok különböző intenzitással, kivéve egy speciális típusú anyag ismert szupravezetők. Általában az elektromosan vezető anyagok esetében kevesebb hő keletkezik, mivel a töltéshordozók könnyen átfolynak; míg a nagy elektromos ellenállású anyagok esetében több hő keletkezik. Szupravezetők, másrészt, lehetővé teszi a villamos energia áramlását, de nem termelnek hőt. Általában a vezetékek hői energiaveszteségnek minősülnek. A gépi meghajtású berendezések meghajtására használt elektromos energia szükségtelen fűtést eredményez rézveszteség formájában, ami végső soron nem eredményez hasznos munkát.
Az elektromos fűtőelemek bizonyos értelemben közel 100%-ban hatékonyak, mivel az összes szolgáltatott energiát a rendeltetésszerű formába alakítják át. A fűtőelemek nemcsak hőt, hanem energiát is átvihetnek a fényen és a sugárzáson keresztül. Ez azonban csak az ideális ellenállásra igaz. Kis veszteségek származhatnak az anyag eredendő kapacitásából és induktanából, amely az elektromos energiát elektromos és mágneses mezőkké alakítja át. Figyelembe véve az egész fűtőrendszert, a veszteségek a hőnek a külső környezetbe való eloszlása a folyamatfolyadékból vagy magából a fűtőberendezésből származnak. Így a rendszert el kell különíteni, hogy kihasználja az összes termelt hőt.
