Effet joule : Cours et applications – Electricité

F2School — Sun, 26 Apr 2020 17:54:17 +0000

L’effet Joule est un effet thermique de la résistance électrique qui se produit lors du passage d’un courant électrique dans un conducteur.

L’effet Joule est dû à la transformation de l’électricité (ou plus précisément de l’énergie électrique) en chaleur (ou plus précisément en énergie calorifique). Cet effet se produit dans tous les conducteurs mais souvent le dégagement de chaleur ne peut être visualisé que lorsque l’intensité du courant est trop grande. C’est cet effet qui explique que parfois certains composants électriques ou électroniques “brûlent”.

La capacité thermique massique d’un corps

C’est l’énergie thermique qu’il faut fournir à 1 kg de ce corps pour élever sa température de 1 kelvin sans modifier son état : elle s’exprime en Joule / kg . kelvin

Quantité de chaleur fournie à un corps

Elle est égale au produit de la masse ( m ) de ce corps par sa capacité thermique massique ( c ) et par l’élévation de température qu’il subi.

Si t₀ est la température initiale et t₁ la température finale, l’élévation de température est ( t₁ – t₀ ) d’où la relation :

W = m . c . ( t₁ – t₀ )

W en Joule ( J )
m en kg
t₁ et t₀ en °C

Loi de joule

L’énergie électrique dissipée en chaleur par effet Joule dans un récepteur est proportionnelle :

à la durée de passage du courant
à la résistance du récepteur
au carré de l’intensité du courant

1- Energie.

W = R I² T

W en Joule ( J )
R en ohm ( Ω)
I en ampère (A )
T en secondes ( S )

2- Puissance

On divise l’expression de l’énergie par le temps :

P = R I²

P en watt ( W )
R en ohm ( Ω )
I en ampère ( A )

Condition d’application de la loi de Joule.

La loi de Joule s’applique à tous les appareils électriques, quel que soit leur rôle, générateur ou récepteur : la loi de Joule est universelle.

Variation de température.

Un corps chaud placé dans un milieu froid se refroidit peu à peu s’il n’est l’objet d’aucun apport de chaleur. Si ce corps est susceptible de recevoir de l’énergie quelconque, nous pouvons rencontrer trois possibilités selon les valeurs respectives de l’énergie reçue par effet Joule W₁ = RI²T et de l’énergie cédée au milieu ambiant W₂ :

W₁ = W₂ : le corps cède exactement autant d’énergie qu’il en reçoit, il est en équilibre thermique.
W₁ < W₂ : le corps cède plus d’énergie qu’il n’en reçoit, il se refroidit.
W₁ > W₂ : le corps reçoit plus d’énergie qu’il n’en cède, il s’échauffe.

Inconvénients de l’effet joule

1- Pertes et échauffement.

Chaque fois que le dégagement de chaleur n’est pas recherché, l’effet Joule est nuisible. Il en est ainsi dans la majorité des applications de l’électricité. Les pertes par effet Joule présentent plusieurs inconvénients :

Elles diminuent le rendement des appareils
Elles causent un échauffement qui, s’il est excessif, peut détériorer les isolants et provoquer des courts-circuits

2- Limitation du courant dans les conducteurs.

La nécessité où l’on se trouve d’avoir dans les conducteurs un échauffement limité, impose de ne pas dépasser dans ces conducteurs une certaine densité de courant.

La densité de courant dans un conducteur est le quotient de l’intensité du courant par la section du fil :

J = I / S

J en A/mm²
I en ampère ( A )
S en mm²

Application de l’effet joule

Le chauffage

L’utilisation la plus commune de l’effet Joule est le chauffage électrique : radiateur, four, plaque de cuisson, sèchecheveux, grille-pain. Ces appareils 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 2200°C). A cette température, le filament de tungstène devient incandescent et émet de la lumière. Soulignons que celles-ci tentent à disparaître pour laisser la place aux ampoules économiques.

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.