Et varmeelement er et materiale eller en enhet som direkte konverterer elektrisk energi til varme eller termisk energi gjennom et prinsipp kjent som Joule-oppvarming. Joule-oppvarming er fenomenet der en leder genererer varme på grunn av strømmen av elektrisk strøm. Når den elektriske strømmen flyter gjennom materialet, kolliderer elektroner eller andre ladningsbærere med ionene eller atomene til lederen og skaper friksjon i atomskala. Denne friksjonen manifesterer seg da som varme. Joules første lov (Joule-Lenz-loven) brukes til å beskrive mengden varme som produseres fra strømmen av strøm i en leder. Dette uttrykkes som,
P=IV eller P=I²R
Fra disse ligningene avhenger mengden varme som genereres av strømmen og spenningen eller ledermotstanden. I utformingen av varmeelementer er motstanden den viktigste faktoren.
Joule-oppvarming er tydelig i alle ledende materialer i varierende intensitet, bortsett fra en spesiell type materiale kjent som superledere. Generelt genereres mindre varme for elektrisk ledende materialer siden ladebærerne lett kan strømme gjennom; mens det for materialer med høy elektrisk motstand genereres mer varme. Superledere tillater derimot strøm av strøm, men produserer ikke varme. Vanligvis blir varme fra ledere klassifisert som energitap. Elektrisk energi som brukes til å drive drevet utstyr, genererer unødvendig oppvarming i form av kobbertap som til slutt ikke gir noe nyttig arbeid.
Elektriske varmeelementer er på en måte nesten 100% effektive siden all tilført energi omdannes til den tiltenkte formen. Varmeelementer leder ikke bare varme, men overfører også energi gjennom lys og stråling. Dette gjelder imidlertid bare for ideelle motstander. Små tap kan avledes av den iboende kapasitansen og induktansen til materialet som omdanner den elektriske energien til henholdsvis elektriske og magnetiske felt. Tatt i betraktning hele varmesystemet, er tapene fra spredning av varme til det ytre miljøet fra prosessvæsken eller fra selve varmeren. Dermed må systemet isoleres for å utnytte all varmen som genereres.
