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Effet Joule

Effet Joule

L'effet Joule, également appelé loi de Joule, est la manifestation thermique de la résistance électrique. Si l'électricité circule dans un conducteur électrique, une partie de l'énergie cinétique des électrons est transformée en chaleur en raison du choc que les électrons subissent avec les molécules du conducteur à travers lequel ils circulent, ce qui augmente la température du conducteur. Il est nommé en l'honneur du physicien anglais James Prescott Joule.

Définition de l'effet Joule:

La quantité d'énergie thermique produite par un courant électrique est directement proportionnelle au carré de l'intensité du courant lorsqu'il traverse le conducteur et à la résistance que ce conducteur s'oppose au passage du courant.

Cette définition peut être exprimée mathématiquement comme suit:

Q = I2 x R x t

où:

Q = Energie thermique produite par le courant
I = Intensité du courant en circulation
R = Résistance électrique du conducteur
t = Temps

Le fonctionnement des ampoules est basé sur l'effet Joule: le filament est une résistance qui, avec le passage du courant, chauffe pour devenir incandescent.

Dans la formule exprimée de la définition de l'effet Joule, les grandeurs doivent être exprimées dans le même système d'unités. Ainsi, si nous exprimons l'intensité en ampères (A), la résistance en ohms et le temps en secondes, nous obtenons la chaleur produite en joules (J).

De nombreux appareils sont basés sur l'effet Joule au travail: fours électriques, grille-pain, chauffage électrique ... Dans tous ces cas, il est destiné à générer des flux d'énergie thermique de l'électricité pour leurs conducteurs. Cette chaleur qu'ils dégagent est due à l'effet Joule.

Cependant, dans la grande majorité des applications, il s'agit d'un effet indésirable et est la raison pour laquelle les appareils électriques et électroniques ont besoin de dissipateurs thermiques, à l'exception d'un ou de plusieurs ventilateurs qui effrayent la chaleur générée et évitent ainsi un échauffement excessif des différents composants. composants et / ou dispositifs. Dans ces cas, la chaleur entraîne une perte d'énergie et donc une baisse de rendement.

Relation entre l'effet Joule et la thermodynamique

L'effet Joule a un lien particulier avec la deuxième loi de la thermodynamique. Le deuxième principe de la thermodynamique stipule que: "La quantité d'entropie dans l'univers tend à augmenter avec le temps."

Le second principe de la thermodynamique établit ensuite l'irréversibilité des phénomènes physiques, notamment lors des échanges thermiques.

La loi de Joule dans la formulation plus générale implique la transformation de l'énergie électrique en d'autres formes d'énergie dans lesquelles l'énergie thermique développée n'est qu'un effet indésirable et, dans la mesure où elle peut être négligée, quelques exemples de transformations de l'énergie. énergie régulée par la loi de Joule: énergie mécanique (moteurs électriques), lumière (lampe à décharge, LED), ondes électromagnétiques (antennes, lasers), chimie (électrochimie) ...

Dans cette formulation plus générale de la loi de Joule, d'un point de vue principal, le produit de la tension pour le courant transforme l'énergie électrique en d'autres formes d'énergie en principe de manière réversible, sans les limitations imposées par la thermodynamique.

Par exemple, dans les moteurs électriques où l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique, un rendement peut être défini comme le rapport entre l'énergie électrique (loi Joule I · V) et la puissance mécanique, même si les moteurs électriques sont actuellement les plus efficaces. ils ne dépassent pas 50% d'efficacité du fait de la résistance électrique du cuivre, meilleur conducteur existant, la possibilité d'une plus grande efficacité a été démontrée avec des moteurs à enroulements supraconducteurs. Par conséquent, il est possible de concevoir une transformation réversible dans laquelle toute l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.

Dans le cas des antennes, l'efficacité de l'antenne est définie comme le rapport entre la puissance rayonnée et l'alimentation alternative moyenne et, dans ce cas, des rendements supérieurs à 90% sont atteints.

En termes de lumière, l'efficacité lumineuse est liée à la relation entre la puissance dissipée par effet Joule et l'énergie lumineuse utile à la perception de l'œil humain. Dans ce cas, alors que les lampes à incandescence ordinaires ont un rendement typique de 2%, une lampe à décharge peut avoir un rendement lumineux de 29%. Si nous pouvions trouver un mécanisme efficace pour transformer l'électricité en feu vert (pour lequel la perception humaine est maximale), l'efficacité lumineuse serait de 100%.

Par conséquent, les limitations de la deuxième loi de la thermodynamique ne s'appliquent pas à la loi de Joule si elle est interprétée de manière non réductrice.

Transmission électrique haute tension en courant alternatif

Les lignes électriques aériennes transfèrent l'électricité des producteurs d'électricité aux consommateurs. Ces lignes électriques ont une résistance autre que zéro et sont donc soumises à l'effet Joule ou au chauffage Joule, ce qui entraîne des pertes dans la transmission.

La division de la puissance entre les pertes de transmission (chauffage Joule dans les lignes de transmission) et la charge (énergie utile fournie au consommateur) peut être approximée par un diviseur de tension. Pour minimiser les pertes de transmission, la résistance des lignes doit être aussi faible que possible par rapport à la charge (résistance des appareils grand public). L'utilisation de conducteurs en cuivre minimise la résistance de la ligne, mais les spécifications de la résistance et de l'alimentation des appareils grand public sont fixes.

Habituellement, un transformateur est placé entre les lignes et la consommation. Lorsqu'un courant électrique à haute tension et à faible courant dans le circuit primaire (avant le transformateur) devient un courant à basse tension et à haute intensité dans le circuit secondaire (après le transformateur), la résistance équivalente du circuit secondaire augmente et diminue. de transmission sont réduits proportionnellement.

Pendant la guerre des courants, les installations de courant alternatif pourraient utiliser des transformateurs pour réduire les pertes de ligne par le chauffage de Joule, au prix d'une tension supérieure dans les lignes de transmission, par rapport aux installations à courant continu.

Efficacité thermique et effet Joule

La technologie de chauffage Joule a un coefficient de performance de 1,0, ce qui signifie que chaque joule de puissance électrique produit un joule de chaleur. En revanche, une pompe à chaleur peut avoir un coefficient supérieur à 1,0, car elle déplace l'énergie thermique supplémentaire de l'environnement vers l'élément chauffé.

La définition de l'efficacité d'un processus de chauffage nécessite de définir les limites du système à prendre en compte. Lorsque vous chauffez un bâtiment, l'efficacité globale est différente lorsque vous prenez en compte l'effet de chauffage par unité d'énergie électrique fournie côté compteur du client, par rapport à l'efficacité globale lorsque vous prenez également en compte les pertes à la centrale et au transport. d'énergie.

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Dernier examen: 28 novembre 2018

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