Effet Joule

Cet article est une ébauche concernant la thermodynamique. Vous pouvez partager vos connaissances en l’améliorant (comment ?) selon les recommandations des projets correspondants.

L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tout matériau conducteur. L'effet porte le nom du physicien anglais James Prescott Joule qui l'a étudié vers 1860.

De manière générale le courant électrique est assuré par le déplacement des charges électriques. Ces porteurs de charge en mouvement interagissent avec les atomes constitutifs du milieu dans lequel ils se déplacent – par exemple un câble électrique – ce qui constitue un frein, une résistance à leurs déplacements. Pour transférer une quantité déterminée de courant électrique par ce câble, il faut donc fournir une puissance supplémentaire, qui sera dissipée lors des interactions avec les atomes, sous forme d'énergie thermique (dissipation d'énergie électrique sous forme de chaleur). C’est ce qu’on appelle l'effet Joule.

Une seule exception à cette règle les supraconducteurs (ceux-ci nécessitent cependant des conditions particulières pour conserver leur propriété)

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 interne du conducteur et généralement de sa température.

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

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

avec : W en joules (J), R en ohms $(\Omega) \,$, i en ampères (A), t en secondes (s)

La puissance moyenne vaut donc :

$P = \frac{W}{t_2 - t_1} = \frac{R}{t_2 - t_1} \int_{t_1}^{t_2} i^2 dt$

avec : P en watts (W)

• 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 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.

À l'échelle locale, la puissance dissipée par effet Joule par unité de volume est donnée par

$p=\rho\cdot j^2_{eff}$

où j_eff est la valeur efficace de la densité de courant j(t) et ρ est la résistivité du matériau.

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.
• Dans les autres cas, l'effet Joule est responsable de pertes d'énergie, c'est-à-dire de la conversion indésirable, mais inévitable, d'une partie de l'énergie électrique en énergie thermique. C'est le cas par exemple des 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 ont un rendement thermodynamique théorique maximal de 100 % : ils peuvent convertir l'intégralité de l'énergie électrique en chaleur par convection et par rayonnement.

Éclairage

Les ampoules à incandescence recourent également à l'effet Joule : le filament de tungstène, placé dans une enceinte contenant un gaz noble, est porté à une température élevée (plus de 2 200 °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.