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, à l'exception des
supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions particulières. L'effet consiste en une dissipation d'énergie électrique sous forme thermique.
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'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 :
La puissance moyenne vaut donc :
P = | W ––––––––– t 2 - t 1 | = | R ––––––––– t 2 - t 1 | ∫ | t 2 t 1 | 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 I
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 = ρ j 2 _ {eff }
où jeff 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.
Parfois, 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 inerte, 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.