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L'effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant...) est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) dans tous matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions particulières.

Nature

L'effet Joule est un effet thermique qui se produit lors du passage du courant électrique dans un conducteur. Il se manifeste par une augmentation de l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de...) du conducteur et donc de sa température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...). L'effet porte le nom du physicien anglais James Prescott Joule qui l'a étudié vers 1860.

L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...) dissipée sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) entre deux instants t₁ et t₂ par un dipôle (D'une manière générale, le mot dipôle désigne une entité qui possède deux pôles. On le retrouve dans plusieurs...) de résistance R traversé par un courant d'intensité i s'écrit :

La puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) moyenne (Il y a plusieurs façon de calculer une moyenne d'un ensemble de nombres. Celle qu'il convient de retenir dépend de la...) vaut donc :

• En régime de courant périodique l'expression de la puissance peut se mettre sous la forme :

avec la valeur efficace de l'intensité du courant

• En régime de courant continu (Le courant continu (CC), par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel : le...) l'expression de la puissance devient :

Si ce dipôle vérifie la loi d'Ohm, on peut écrire :

avec , la valeur efficace de la tension à ses bornes.

Remarque : L'emploi de ces formules n'est pas toujours simple, particulièrement lorsque la résistance dépend de la température du conducteur. La puissance dissipée par effet Joule modifie la température qui modifie la résistance qui modifie la puissance dissipée par effet Joule.

L'effet Joule se manifeste dans tout conducteur électrique avec plus ou moins d'importance. Dans certains cas, il s'agit d'un effet recherché pour produire de la chaleur (radiateur électrique, chauffe-eau, grille-pain) ou de la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...) (lampe à incandescence). En effet, l'élévation de la température du conducteur provoque un échange d'énergie avec l'extérieur sous forme de transfert thermique (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie...). Si cette température devient très importante, il cède également de l'énergie par rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement...) visible.

Parfois, l'effet Joule est responsable de pertes d'énergie c.à.d de la conversion indésirable, mais inévitable d'une partie de l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail :...) en énergie thermique.

Exemple : les pertes en ligne lors du transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu...) du courant électrique que l'on cherche à limiter en augmentant la tension pour diminuer l'intensité du courant .

Applications

Chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau, un être vivant pour lui...)

L'utilisation la plus commune de l'effet Joule est le chauffage électrique : radiateur, four (Un four est une enceinte fermée munie d'un système de chauffage puissant :), plaque de cuisson, sèche cheveux, grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de...) pain. Ces appareils utilisant une résistance électrique restituent 100% de l'énergie électrique en chaleur par convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont...) et par rayonnement. Ils sont néanmoins moins performants que les pompes à chaleur, qui peuvent atteindre un rendement de 300 ou 400%.

Éclairage

Les ampoules à incandescence recourent également à l'effet Joule : le filament de tungstène, placé dans une enceinte contenant un gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi...) inerte, est porté à une température élevée (plus de 2200°C). À cette température la matière émet des rayonnements dans le visible (Loi de Planck). Néanmoins l'efficacité lumineuse des lampes à incandescence est assez faible (5 fois moins que l'éclairage fluorescent, 10 fois moins que les lampes à décharge).

Protection des circuits

Les fusibles sont des dispositifs utilisant l'effet Joule pour faire fondre un conducteur calibré, afin d'isoler un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques...) en cas de surintensité. Les disjoncteurs thermiques utilisent le même effet, mais sans destruction, ils sont réarmables.