Chaleur et électrons
L'effet Joule est largement connu de tous car il nous permet de nous chauffer avec de l'électricité d'une manière très simple.
Lorsque des porteurs de charges, sous l'influence d'un champ électrique une différence de potentiel se déplacent dans un matériau, des interactions avec les atomes se produisent, de l'énergie est transférée aux atomes sous forme de vibrations qui correspondent à un échauffement du matériau : sa température augmente, c'est l'effet Joule.
La puissance transformée en chaleur dans le matériau est proportionnelle à sa résistance électrique, et au carré du courant électrique :
Un cas extrême est la résistance nulle des supraconducteurs où aucune énergie est perdue.
Applications
Chauffage
Tout ce qui chauffe à la maison utilise une résistance électrique et l'effet Joule : fer à repasser, radiateur électrique, four électrique, cuisinière électrique (hors induction), chauffe-eau électrique, bouilloire électrique, sèche-cheveux, grille-pain, couverture chauffante...
Ceci dit, pour le chauffage de la maison, ce n'est pas très malin d'utiliser l'effet Joule. Il vaut bien mieux utiliser une pompe à chaleur qui présente un meilleur rendement, car 1 kWh dépensé dans une résistance chauffante produira 1 kWh de chaleur, et plus du double avec une pompe à chaleur.
Encore faut-il que l'investissement vaille le coup.
Notez que la tension n'intervient pas : c'est uniquement le courant et la valeur de la résistance qui comptent pour chauffer.
Eclairage
Nos lampes à incandescence utilisent également l'effet Joule, avec un rendement de production de lumière bien moins efficace que les diodes électroluminescentes. Et de plus, les LED sont bien plus fiables.
C'est donc pour des raisons d'économies d'énergie (et par conséquent d'argent) que les LED remplacent progressivement toutes les ampoules à incandescence.
Fusible
Un fusible est un cas extrême où le fil chauffe tellement par effet Joule qu'il finit par fondre, coupant la circulation du courant. Cela arrive si on dépasse le niveau de courant pour lequel le fusible a été conçu.
De nos jours, on lui préfèrera un disjoncteur que l'on pourra réarmer.
Transport d'énergie électrique
L'effet Joule est pénible pour transporter de l'énergie car une partie est perdue dans la résistance des câbles électriques (et non facturable au consommateur).
Matériau de faible résistivité : le cuivre
On essaye alors d'utiliser des matériaux présentant la plus faible résistance électrique possible, et le cuivre offre un excellent compromis. C'est pour cela qu'on le retrouve dans nos maisons, mais aussi les caténaires des trains électriques ou des tramways.
L'aluminium est également intéressant, mais il faut augmenter la section des câbles pour avoir une résistance du même tonneau que le cuivre.
L'argent est le meilleur conducteur électrique du monde pour une fois que ce n'est pas l'or qui gagne mais reste un peu cher et offre de moins bonnes performances mécaniques que le cuivre.
Ceci dit, le matériau ultime sera un supraconducteur, présentant une résistance électrique nulle. Aucune perte !
Augmenter la tension
La puissance transmise est proportionnelle à la tension et l'intensité du courant électrique :
Et comme l'effet Joule est proportionnel au carré du courant, on a intérêt à réduire le courant, ce qui oblige à augmenter la tension pour la même puissance.
D'où l'utilisation de ligne à haute tension, et de tensions assez importantes pour les trains électriques. Ce qui justifie aussi d'utiliser du 220 volt à la maison, cela réduit les pertes et échauffements dans les câbles (risque d'incendie). En contrepartie, il faut bien isoler les câbles, et/ou les éloigner de tout autre contact, c'est pour ça que les lignes haute tension sont très hautes.
L'ordre de grandeur à retenir de la tension de claquage dans l'air est 1000 volts par millimètre (ça dépend du taux d'humidité et de la pression). Dépassez cette valeur et c'est l'éclair...
Alimenter en 5 volts est acceptable pour des petits appareils (moins de 10 watts), mais un PC portable est déjà un peu gourmand, tous les fabricants ont fini par converger vers une alimentation 19 volts...
Si vous vous intéressez à la chaleur et l'électricité, je vous propose la pyroélectricité comme prochaine visite. Puis la thermoélectricité.