L'effet Joule
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 des conditions particulières.
De manière générale le courant électrique est assuré par le déplacement des charges électriques. Ces porteurs de charge en mouvement se heurtent aux 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 réussir à faire passer le courant, il faut donc fournir une puissance supplémentaire, qui sera dissipée lors des chocs 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.
En savoir plus : article "Effet Joule" de Wikipédia
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1. Avantages de l'effet Joule
a Le chauffage
L'effet Joule se produit dans tous les appareils électriques mais il est souvent accompagné d'autres effets. Or, dans un conducteur ohmique, il est le seul effet du passage du courant. D'où l'idée de l'utiliser comme source de chaleur : toute l'énergie électrique y est transformée en énergie thermique.
Différents modes de chauffage existent : radiateur radiant, convecteur, radiateur à bain d'huile. On peut citer aussi : les plaques électriques, les gaufriers, les bouilloires électriques et l'éclairage...
Tous ces appareils ont en commun d'avoir une «résistance électrique» adaptée à l'usage voulu.
b La protection électrique
Dans certains appareils électriques, il est important de limiter la tension aux bornes d'un des composants.
Par exemple, sur un lecteur MP3, la diode électroluminescente (DEL), verte ou rouge, qui indique que l'appareil est sous tension, ne peut supporter une tension supérieure à 2 V. Or la tension d'alimentation, délivrée par des piles, est supérieure à cette valeur. Une solution de protection consiste à placer un conducteur ohmique (résistance de protection) en série avec la DEL.
Remarque : L'important dans ce type de montage n'est pas tant le fait que la résistance de protection transforme l'énergie électrique reçue en chaleur par effet Joule, mais qu'elle prélève une partie de l'énergie fournie par le générateur et limite ainsi l'énergie utile à la DEL. L'énergie perdue n'est donc pas ici un inconvénient.
2. Les inconvénients de l'effet Joule
a) L'échauffement non désiré des dipôles électriques
De nombreux appareils électriques, comme les moteurs, ont pour fonction de transformer l'énergie électrique en une autre forme d'énergie (mécanique par exemple).
L'effet Joule qui se produit inévitablement est autant d'énergie perdue. C'est un inconvénient que l'on cherche à minimiser.
b) Les pertes en ligne
Dans un circuit électrique, les fils de connexion, de longueur relativement courte, sont de très bons conducteurs, de résistance négligeable devant celle des appareils. Mais négligeable ne signifie pas nulle.
Dans le cas de fils de connexion de très grande longueur, comme ceux utilisés par EDF (appelés alors « lignes électriques »), la résistance n'est plus négligeable devant celle des appareils.
Ces lignes électriques sont parcourues par un courant de grande intensité, somme des intensités des courants consommés par les utilisateurs ; elles s'échauffent par effet Joule.
Pour limiter les pertes par effet Joule, les lignes sont mises sous haute tension, voire très haute tension. Ce changement de tension s'effectue à l'aide de transformateurs.
3. Des cas intermédiaires
Les conducteurs ohmiques sont très utilisés en électronique ; leur fonction n'est pas le chauffage.
Voici un exemple dans lequel l'effet Joule est rendu secondaire, puis un second exemple, dans lequel il peut être gênant.
A La mesure d'une intensité à l'oscilloscope
L'oscilloscope est un appareil destiné à représenter sur un écran des variations de tensions électriques. Il n'est sensible qu'à des tensions.
Or, il est souvent intéressant d'observer des variations d'intensité.
On utilise pour cela un conducteur ohmique et on visualise la tension à ses bornes qui est proportionnelle à l'intensité.
Le choix de R est tel que la puissance RI2 prélevée est faible et l'effet Joule
négligeable.
b Le diviseur de tension
Le principe d'un diviseur de tension est de prélever une partie seulement de la tension délivrée par un générateur (par exemple, pour obtenir une tension de 3 V à partir d'une pile de 9 V).
Dans ce cas et selon le montage réalisé, des pertes par effet Joule peuvent ne pas être négligeables.