Qu’est-ce que l’effet Joule ?

publié le 09/12/2020 | mis à jour le 24/11/2022 | par L'équipe Choisir.com

Qu’est-ce que l’effet Joule ?

Voyons en premier lieu le principe de l’effet Joule : sa définition et son mécanisme de fonctionnement.

Définition de l’effet Joule

L’effet Joule est une manifestation de l’électricité qui produit un dégagement de chaleur lors du passage du courant dans un matériau conducteur lui opposant une résistance. On doit le nom de cette propriété à James Prescott Joule, physicien anglais qui l’a découverte en 1840.

Concrètement, on peut visualiser le principe de fonctionnement de l’effet Joule ainsi : lors de son passage dans un matériau conducteur, l’énergie électrique se transforme en énergie thermique ou calorifique. Cette transformation d’un état de matière à un autre s’explique physiquement par le principe du courant électrique :

1. le courant électrique repose sur le mouvement de porteurs de charges électriques, les électrons, dans tout matériau conducteur ;
2. les électrons, en se déplaçant, interagissent avec les atomes du milieu dans lequel ils circulent (par exemple, le fil électrique), ce qui freine leur déplacement. C’est ce que l’on nomme la résistance électrique ;
3. pour « contrer » cette résistance, la puissance électrique fournie, ou intensité électrique, doit être supérieure en début de circuit, pour permettre de délivrer l’énergie électrique requise au bout dudit circuit ;
4. le passage du courant électrique dans le matériau conducteur augmente son niveau de température, et produit une énergie thermique – l’énergie calorifique (E).

Cette manifestation thermique (élévation de la température) se retrouve dans différentes applications que l’on peut retrouver dans notre quotidien :

• l’éclairage, via les ampoules à incandescence ;
• le chauffage électrique ;
• les équipements pour la cuisson (plaques de cuisson, fours, grille-pain) ;
• divers équipements électriques tels que le sèche-cheveux ;
• la protection du circuit électrique.

Comment est calculé l’effet Joule ?

L’énergie calorifique est mesurée en fonction de plusieurs facteurs :

• la résistance électrique du matériau conducteur (R). Plus la résistivité du matériau conducteur est élevée, plus l’énergie calorifique est élevée ;
• l’intensité électrique du courant (I). Plus la tension électrique est élevée, plus l’énergie calorifique est élevée ;
• le temps pendant lequel le courant électrique traverse le conducteur (t). Plus le temps d’utilisation du courant est long, plus l’énergie calorifique est élevée.

La formule de calcul de l’effet Joule est :

E = R x I² x t

C’est ce que l’on nomme la Loi de Joule : le niveau d’échauffement du conducteur dépend du carré de l’intensité du courant électrique.

Prenons un exemple concret, le fil électrique utilisé pour allumer une ampoule et celui utilisé dans un câble pour brancher une batterie. Ces deux conducteurs électriques sont de taille différente. Si l’on augmente l’intensité du courant par 10 dans un même conducteur, on augmente l’échauffement du conducteur de 100. Mais la manifestation physique ne sera pas la même : le fil d’une ampoule (plus fin) va produire plus de chaleur et donc d’effet Joule, là où le fil plus épais d’un câble de batterie va limiter sa déperdition d’énergie en chaleur, et réduire au maximum l’effet Joule.

Avantages et inconvénients de l’effet Joule

L’effet Joule est une propriété incontournable du courant électrique. Sa compréhension ainsi que sa maîtrise sont indispensables pour éviter certains inconvénients :

• cette propriété physique du courant électrique peut engendrer des déperditions d’énergie via la chaleur dégagée, si la résistance électrique n’est pas adaptée ;
• de même, une résistance électrique non adaptée peut subir une élévation telle de sa température qu’il peut y a avoir des incidents techniques (incendie, fonte des composants électroniques) liés à des surcharges électriques ; ceci est notamment le cas dans certains circuits électroniques que l’on trouve dans les ordinateurs. Un processeur informatique peut nécessiter beaucoup de courant électrique suivant le nombre d’opérations qu’il réalise. Cette intensité électrique se traduit par un effet Joule, qu’il est nécessaire de compenser par l’installation de ventilateurs ;
• pour autant, l’effet Joule peut être exploité intentionnellement dans le fonctionnement d’équipements électriques classiques de notre vie courante : notamment le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire, et les appareils de cuisson (voir point ci-après).

Les applications de l’effet Joule dans notre vie quotidienne

La maîtrise de l’effet Joule a été la clé pour l’invention et la commercialisation de certains équipements électriques.

L’éclairage à incandescence

On retrouve une des exploitations les plus courantes de l’effet Joule dans le premier dispositif d’éclairage grand public sur le marché : l’ampoule à incandescence. Le principe d’une ampoule à incandescence est de faire passer un courant électrique au travers d’un filament de Tungstène au sein d’un globe de verre. Le passage du courant électrique produit un effet Joule, ce qui se traduit par la chauffe du filament jusqu’au niveau proche de l’incandescence. C’est cette élévation de température du matériau conducteur qui produit la lumière électrique.

Pendant des décennies, l’ampoule à incandescence a éclairé l’intérieur de nos logements, ainsi que sa cousine proche l’ampoule à halogène. Cette dernière partage un fonctionnement quasi-similaire avec l’ampoule à incandescence, le seul point de différence étant sa durée de vie un peu plus longue grâce à l’introduction dans le globe de l’ampoule de gaz halogénés (iode et brome) basse pression ayant comme propriétés de réduire la fragilité du filament.

Néanmoins, l’effet Joule produit par une ampoule à incandescence ou une ampoule halogène génère de grandes déperditions d’énergie (dans une ampoule à incandescence, 95 % de l’énergie consommée est dissipée en chaleur) et une consommation élevée d’électricité.

Dans le cadre de la transition énergétique et de la lutte contre le réchauffement climatique, ces dispositifs d’éclairage ont été interdits à la vente au début des années 2010 au profit de modèles d’ampoules à économies d’énergie : ampoules LED et ampoules fluocompactes.

Le chauffage électrique

La manifestation thermique de l’effet Joule, à savoir la production de chaleur, a été employée judicieusement dans un équipement électrique basique présent dans toute habitation : le chauffage électrique, appelé également chauffage à effet Joule, car il utilise la propriété physique du courant électrique afin de chauffer une résistance pour produire un rayonnement de chaleur.

Tous les chauffages électriques fonctionnent sur le principe de l’effet Joule. On distingue ainsi :

• le convecteur électrique, connu également sous le nom de chauffage « grille-pain », car il consiste à utiliser le principe de la convection : soit chauffer une simple résistance, qui a son tour va chauffer l’air ambiant. Ce type de chauffage extrêmement énergivore a laissé la place aux modèles évoqués ci-après, ayant une performance énergétique plus importante ;
• le panneau rayonnant qui consiste à utiliser le principe de la convection puis de diffuser la chaleur à travers une grille en aluminium. Cette diffusion plus homogène rappelle le rayonnement du soleil. Toutefois, les panneaux rayonnants ou radiants doivent atteindre une forte température pour chauffer efficacement, et ne disposent d’aucune inertie quand on coupe leur alimentation ;
• le radiateur à chaleur douce ou radiateur à inertie qui consiste à chauffer un corps de chauffe, généralement une plaque en aluminium, qui va emmagasiner la chaleur, puis la diffuser doucement de manière homogène et constante dans une pièce. Le chauffage électrique à inertie constitue la dernière génération d’équipements de chauffe commercialisés. Il est ainsi réputé pour ses hautes performances énergétiques, et permet d’effectuer des économies d’énergie substantielles.

La protection des circuits électriques

Le principe de l’effet Joule peut avoir des inconvénients, notamment des incidences en cas de mauvaise utilisation (incendie, court-circuit), mais paradoxalement, bien utilisé, il peut également avoir un effet positif en termes de sécurité ; c’est notamment le cas dans la protection des circuits électriques via l’utilisation de fusibles.

Lorsque le fusible, composé d’un fil métallique (filament conducteur), est traversé par le courant électrique, il se produit un effet Joule (élévation de la température dudit filament conducteur). Si la température est trop élevée, le fil métallique du fusible fond et ouvre le circuit, empêchant tout passage d’électricité. Le fusible permet de protéger un circuit électrique de tout risque de court-circuit ou de surintensités dû à un problème de charges électriques.

Toutefois, on peut lui préférer l’utilisation d’un disjoncteur thermique, communément appelé disjoncteur divisionnaire, qui offre l’avantage de pouvoir être remis en service, et être réutilisable sur la durée, contrairement au fusible qui peut fondre s’il est sollicité lors d’un incident. Le principe de fonctionnement du disjoncteur est d’utiliser un déclencheur thermique (un bi-lame) qui exposé au courant électrique et à l’effet Joule, peut ouvrir les contacts du circuit à partir d’un certain seuil de courant (entre 3 A et 40 A) et empêcher tout passage d’électricité.

La maison à effet Joule pour réaliser des économies d’énergie ?

L’électricité est une source d’énergie puissante, pratique voire essentielle dans nos vies quotidiennes. Elle peut être également une source conséquente de dépenses, si elle n’est pas utilisée de manière efficiente. Le cas du chauffage électrique est un exemple parlant, puisque selon EDF, près de 62 % des dépenses d’électricité d’un ménage en France sont dues au poste du chauffage. Peu économe, la consommation d’électricité peut cependant être optimisée afin d’en réduire le coût, via la réalisation d’une maison à effet Joule.

L’expression « maison à effet Joule » désigne une habitation remplissant certaines caractéristiques clés :

• tous les équipements de chauffe (chauffage, chauffe-eau) utilisent l’énergie électrique pour fonctionner, et donc l’effet Joule ;
• le logement répond aux dernières normes environnementales et d’économies d’énergie – BBC (Bâtiment basse consommation) et la réglementation thermique RT2012 (et à la RT2020 à partir du 1^er janvier 2020).

Ce type de logement répond à des objectifs de maîtrise de sa consommation d’électricité et d’efficacité énergétique. Pour ce faire, il existe toute une série de mesures qui allient praticité, confort d’utilisation et technologie :

1. l’isolation est un des premiers points à contrôler dans son logement. Lorsque l’on sait que près de 30 % des déperditions d’énergie thermique sont issues d’une toiture mal isolée, il est essentiel de contrôler l’isolation de son logement. Sur ce point, le bilan énergétique et le bilan thermique RT2012 sont des outils efficaces pour localiser les endroits défaillants de son habitation future ou actuelle. Des travaux d’isolation (portes, combles, fenêtres, toiture) peuvent être par la suite, mis en place via l’utilisation de matériaux robustes et isolants (double vitrage, laine minérale de roche ou de verre, brique ou bois, VMC) ;
2. l’achat ou le remplacement de ses équipements de chauffe par des modèles plus performants. Un chauffage à inertie à la place de son vieux convecteur électrique, voire l’achat d’un chauffage à bois en appui de son chauffage électrique principal sont des solutions possibles pour réduire le montant de sa facture de chauffage ;
3. l’achat et le remplacement de ses éclairages énergivores par des modèles plus performants (ampoules LED ou ampoules basse consommation) ;
4. l’utilisation d’équipements communicants et intelligents est également un véritable atout, comme peuvent l’être certains objets connectés issus de la domotique (volet roulant, box domotique, robinet thermostatique, thermostat d’ambiance, etc.). Ces équipements programmables selon des scénarios calqués sur ses habitudes de vie, permettent d’optimiser au maximum le recours à l’électricité dans son quotidien.

Comment faire davantage d’économies d’énergie ?

L’électricité est une source d’énergie essentielle présente dans nos vies : on peut en limiter son utilisation, mais pas s’en priver totalement.

L’effet Joule peut avoir un impact direct pour tous les amateurs de chauffage électrique, alors comment faire davantage d’économies sur sa facture d’électricité ? Il existe une solution rapide et gratuite : le changement de fournisseur d’électricité. Tout particulier a la possibilité aujourd’hui (et ceci depuis 2007 !) de résilier son contrat d’électricité actuel (et de gaz) en toute liberté, les contrats d’énergie étant sans engagement de durée.

À la clé, vous pouvez choisir un fournisseur d’énergie proposant un tarif du kWh (le prix de l’électricité) plus compétitif que votre fournisseur d’électricité actuel. Pour vous aider dans vos démarches de recherche, vous pouvez ainsi avoir recours à un comparateur d’électricité tel que celui de Choisir.com qui peut vous apporter de nombreux atouts :

• avoir accès une sélection personnalisée et instantanée d’offres d’électricité en fonction de votre profil de consommation ;
• avoir accès aux offres d’électricité des meilleurs fournisseurs d’électricité présents actuellement sur le marché ;
• profiter des conseils et des services gratuits de Choisir.com (sélection du fournisseur, assistance aux démarches administratives).
  

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