Effet Joule - Définition

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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...) est un effet thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) qui se produit lors du passage du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) 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...) du conducteur et donc de sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...). L'effet porte le nom du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) anglais James Prescott Joule (James Prescott Joule (24 décembre 1818, Salford, près de Manchester, Angleterre...) 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...) dissipée sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) 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...) 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...) 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 de l'intensité du courant
  • En régime de courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un...) 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 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...) 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...) (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 thermique, appelé plus communément chaleur, est un transfert d'énergie...). 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...) 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...) 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...) 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...)

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...), plaque de cuisson, sèche cheveux, grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran 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 d'énergie qui implique un déplacement de...) 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...), placé dans une enceinte contenant un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) 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...) 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...) en cas de surintensité. Les disjoncteurs thermiques utilisent le même effet, mais sans destruction, ils sont réarmables.

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