L'effet Joule est exploité dans des radiateurs électriques pour se chauffer. (©photo)
Par effet Joule, on désigne le dégagement de chaleur provoqué par le passage d’un courant électrique dans un matériau conducteur lui opposant une résistance. Cet effet porte le nom de celui qui l'a découvert en 1840 : le physicien anglais James Prescott Joule.
Usages de l'effet Joule
L’énergie calorifique dissipée (mesurée en joules) peut être valorisée pour :
- le chauffage domestique et ses dérivés en exploitant l’échauffement de résistances : radiateurs, fours, plaques de cuisson, etc. ;
- l’éclairage dans les ampoules à incandescence(1) en portant le filament à une température supérieure à 2 000°C à laquelle il rayonne un maximum de lumière visible ;
- la protection de circuits électriques en y intégrant des fusibles qui fondent ou disjonctent sous l’effet de la chaleur lorsque l’intensité dans les circuits à protéger dépasse le niveau prévu.
Inconvénient : les pertes en ligne
Pour le transport de l’électricité, l’effet Joule constitue en revanche une perte d’énergie à réduire. À puissance délivrée égale, plus la tension est élevée et l’intensité réduite, plus les pertes en lignes (proportionnelles au carré de l’intensité) sont faibles.
D’un point de vue physique, l’effet Joule est principalement dû aux interactions électriques entre les noyaux des atomes d’un matériau conducteur et les électrons libres faiblement liés à ces noyaux. Fixes et chargés positivement, les noyaux atomiques du conducteur freinent les électrons, mobiles et chargés négativement, qui circulent dans le conducteur(2) lorsqu’une tension électrique lui est appliquée.
C’est pourquoi l’effet Joule est faible dans certains matériaux comme l’argent et le cuivre qui possèdent de nombreux électrons très peu liés à leurs atomes. Il peut même être négligeable dans des matériaux supraconducteurs dont la résistance est nulle en dessous d’une température dite « critique ».
Formule de l'effet Joule
L'effet Joule provoqué par le passage d'un courant est proportionnel au carré de l'intensité de ce courant.
La puissance dissipée par effet Joule en courant continu est égale à : P = R × I2 (avec P, la puissance en watts, R la résistance en ohms et I l'intensité en ampères).
Il faut rajouter la dimension temps dans cette formule pour calculer la quantité d'énergie dissipée en Joules, comme ci-après.
