Effet Joule : décryptage complet

Lorsqu’une énergie électrique traverse un conducteur, une partie de cette énergie électrique est convertie en chaleur. Cet effet est causé par les collisions des électrons avec les atomes du matériau conducteur, ce qui génère de la chaleur (les électrons se “cognent” contre les atomes du conducteur).

👋 Un conducteur est un matériau qui permet le déplacement des électrons. 

Cette conversion en chaleur représente une perte d’énergie utile car au lieu d’être transmise, l’énergie se dissipe sous forme de chaleur.. C’est pour cela que les meilleurs conducteurs sont ceux qui limitent le plus la conversion de l’énergie électrique en chaleur. 

⚡ Un conducteur idéal (il n’existe pas), comme un supraconducteur¹ parfait ne convertirait aucune énergie électrique en chaleur. De ce fait, les pertes seraient inexistantes. 

🔌 Dans la vraie vie, les conducteurs d'électricité comme les métaux ont toujours un effet Joule, et donc, une certaine perte d’énergie électrique à cause de la résistance électrique du matériau.

💡 L’effet Joule ne doit pas être confondu avec l’énergie grise (qui correspond à toute l’énergie utilisée indirectement pour fabriquer, transporter et recycler un objet ou un matériau)., car il s’agit de deux concepts distincts.

Pour bien comprendre le phénomène, observons-le par étape : 

La chaleur produite peut être calculée² avec la formule Q = R × I² × t

👉 Cette formule montre que plus l’intensité et la résistance sont fortes, plus la chaleur produite sera importante.

👋 Notre article sur les unités de mesure de l'électricité peut vous aider à mieux comprendre la formule !

Imaginons un fil métallique ayant une résistance de R = 5 Ω, traversé par un courant de I = 2 A pendant une durée de t = 10 s.
Dans ce cas, une partie de l'énergie électrique est convertie en chaleur grâce à l'effet Joule.

On utilise la formule :
Q = R × I² × t

🧮 La chaleur dissipée par le fil en 10 secondes est de 200 Joules.

Il ne faut pas confondre l’énergie dissipée (en joules) avec la puissance (en watts) :

Dans notre exemple : 

🔎 Cela signifie que le fil dissipe une puissance de 20 watts en continu pendant 10 secondes.

À quoi bon calculer une perte ? 🤔 Très bonne question !

🌡️ Calculer la perte d'énergie permet de prévoir la production de chaleur dans les conducteurs. On peut donc dimensionner correctement les composants pour éviter la surchauffe et les risques d'incendie !

Avec une bonne connaissance des pertes, on peut optimiser la conception des circuits afin de minimiser le gaspillage d'énergie. Par exemple, on utilise des matériaux ayant une résistance plus faible quand on ne désire pas trop d’effet Joule et donc de production de chaleur. 

🎺 Le cuivre est précieux en électricité car sa résistance très faible permet un effet Joule limité. C’est pour cela que les fils électriques sont souvent en cuivre.

Certains appareils utilisent la conversion de l'énergie électrique en chaleur due à l'effet Joule.

Si vous vous êtes déjà demandé comment fonctionnent les radiateurs électriques, vous avez la réponse ! L’effet Joule permet de convertir la consommation électrique du radiateur en chaleur ! 

Le chauffe-eau électrique utilise l’effet Joule pour chauffer la résistance immergée dans l'eau.

Si elles avaient perdu de leurs attraits, les ampoules à filaments incandescents sont revenues à la mode avec des résistances stylisées. Qu'elles soient des antiquités ou des objets de décoration moderne, ce type d'ampoule fonctionne avec l’effet Joule.

Pour régler la température d’un chauffe-eau ou d’un radiateur, c’est le calcul de l’effet Joule qui est utilisé. En ajustant l'apport énergétique, on peut augmenter ou diminuer cet effet pour produire plus ou moins de chaleur.

L’effet Joule est utilisé dans des domaines de l’industrie et même les plus insoupçonnables ! La stérilisation du lait³, par exemple, peut se faire grâce à l'effet Joule !

Bien qu’on l’exploite, l’effet Joule possède tout de même des inconvénients dans notre utilisation de l'énergie électrique. 

🪫 La perte d'énergie : l'effet de Joule entraîne des pertes d'énergie sous forme de chaleur, ce qui peut réduire l'efficacité des systèmes électriques, notamment dans les câbles et les composants.
🥵 La surchauffe : si la chaleur est parfois voulue, ce n’est généralement pas le cas. Les résistances dans les conducteurs peuvent entraîner une surchauffe des appareils, ce qui risque d’endommager les équipements électroniques et de provoquer des pannes.
📉 La baisse de performance : la dissipation de chaleur peut affecter la performance des appareils électriques, car la chaleur générée peut altérer leur fonctionnement (les systèmes de refroidissement des ordinateurs sont faits pour cela).
📈 Une augmentation de la consommation d'énergie : en raison des pertes d'énergie sous forme de chaleur, on doit utiliser plus d'énergie pour atteindre un résultat donné, ce qui augmente la consommation d'électricité.
🥶Les coûts de refroidissement : pour compenser la chaleur générée par l'effet de Joule, des systèmes de refroidissement sont parfois nécessaires, ce qui entraîne des coûts supplémentaires.
🛢️ L’impact environnemental : l'inefficacité énergétique causée par l'effet de Joule peut augmenter l'empreinte carbone, surtout si l'énergie utilisée provient d'énergies fossiles.

L'effet Joule, c'est un peu comme la chaleur dans une salle bondée avec un·e bon·ne DJ : tout le monde se cogne, ça chauffe, mais au lieu de râler, on peut l'utiliser pour réchauffer l'ambiance ! Une approche optimiste d’un problème qui peut ainsi devenir une solution ailleurs, cela peut grandement nous servir à l’avenir, dans la transition énergétique (radiateurs, chauffe-eau, planchers chauffants) comme dans d’autres secteurs (fours industriels, freins de métro, séchage textile) ! 😉