Et varmeelement er et materiale eller en enhed, der direkte omdanner elektrisk energi til varme eller termisk energi gennem et princip kendt som Joule opvarmning. Joule opvarmning er fænomenet, hvor en leder genererer varme på grund af strømmen af elektrisk strøm. Når den elektriske strøm strømmer gennem materialet, kolliderer elektroner eller andre ladningsbærere med ionerne eller atomerne på lederen, hvilket skaber friktion i atomskala. Denne friktion manifesterer sig derefter som varme. Joules første lov (Joule-Lenz-loven) bruges til at beskrive den mængde varme, der produceres fra strømmen af elektricitet i en leder. Dette udtrykkes som,
P=IV eller P=I²R
Fra disse ligninger afhænger mængden af genereret varme af strømmen og spændingen eller ledermodstanden. I design af varmeelementer er modstanden den vigtigste faktor.
Joule opvarmning er tydelig i alle ledende materialer i varierende intensitet, bortset fra en speciel type materiale kendt som superledere. For elektrisk ledende materialer genereres generelt mindre varme, da ladebærerne let kan strømme igennem; mens der for materialer med høj elektrisk modstand genereres mere varme. Superledere tillader på den anden side strøm af elektricitet, men producerer ikke varme. Normalt klassificeres varme fra ledere som energitab. Elektrisk energi, der bruges til at køre drevet udstyr, genererer unødvendig opvarmning i form af tab af kobber, som i sidste ende ikke giver noget nyttigt arbejde.
Elektriske varmeelementer er på en måde næsten 100% effektive, da al leveret energi omdannes til den tilsigtede form. Varmeelementer leder ikke kun varme, men overfører også energi gennem lys og stråling. Dette gælder dog kun for ideelle modstande. Små tab kan afledes af den iboende kapacitans og induktans af det materiale, der omdanner den elektriske energi til henholdsvis elektriske og magnetiske felter. I betragtning af hele varmesystemet skyldes tabet spredning af varme til det ydre miljø fra procesvæsken eller fra selve varmelegemet. Således skal systemet isoleres for at udnytte al den genererede varme.
