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 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 du conducteur et donc de sa température. L'effet porte le nom du physicien anglais James Prescott Joule qui l'a étudié vers 1860.

L'énergie dissipée sous forme de chaleur entre deux instants t1 et t2 par un dipôle de résistance R traversé par un courant d'intensité i s'écrit :

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

La puissance moyenne 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
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 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 (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. Si cette température devient très importante, il cède également de l'énergie 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 en énergie thermique.

Exemple : les pertes en ligne lors du transport du courant électrique que l'on cherche à limiter en augmentant la tension pour diminuer l'intensité du courant .

Applications

Chauffage

L'utilisation la plus commune de l'effet Joule est le chauffage électrique : radiateur, four, plaque de cuisson, sèche cheveux, grille pain. Ces appareils utilisant une résistance électrique restituent 100% de l'énergie électrique en chaleur par convection 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 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 en cas de surintensité. Les disjoncteurs thermiques utilisent le même effet, mais sans destruction, ils sont réarmables.

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