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Effet Joule

L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions particulières.

Nature

L'effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui...) est un effet thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) qui se produit lors du passage du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par...) 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 ses atomes. Les transferts d'énergie thermique entre corps sont...) du conducteur et donc de sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...). L'effet porte le nom du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) 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 lumière, de produire un mouvement.) 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 domaines :) de résistance R traversé par un courant d'intensité i s'écrit :

W = R \int_{t_1}^{t_2} i^2 dt \,

La puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) vaut donc :

P = \frac{W}{t_2 - t_1} = \frac{R}{t_2 - t_1} \int_{t_1}^{t_2} i^2 dt \,
  • En régime de courant périodique l'expression de la puissance peut se mettre sous la forme :
P = R I_{eff}^2 \, avec I_{eff} \, la valeur efficace (La valeur efficace (aussi dite RMS ou Root Mean Square) d’un courant ou d'une tension, variable au cours du temps, correspond à la valeur du courant...) de l'intensité du courant
  • En régime de courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance primordiale) l'expression de la puissance devient :
P = R I^2 \,

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

P = U \cdot I\,
P = \frac{U^2}{R}\,

avec U \,, la valeur efficace de la tension (La tension est une force d'extension.) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) (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 sous forme microscopie désordonnée.). Si cette température devient très importante, il cède également de l'énergie par rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) 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 : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail...) en énergie thermique.

Exemple : les pertes en ligne lors du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) 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.)

L'utilisation la plus commune de l'effet Joule est le chauffage électrique : radiateur, four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet...), plaque de cuisson, sèche cheveux, grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de contrôle est un élément du...) 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 en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson...) 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 (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.), placé dans une enceinte contenant un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.), est porté à une température élevée (plus de 2200°C). À cette température la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) 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 parcouru par un courant électrique.) en cas de surintensité. Les disjoncteurs thermiques utilisent le même effet, mais sans destruction, ils sont réarmables.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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