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Partie 2 : Effet Joule - Loi de Joule

Table des matières

1 Mise en évidence de l'effet Joule

Définition

L'effet Joule est l'effet thermique associé au passage du courant électrique dans les conducteurs.

Exemple

Quand un courant électrique passe dans un fil, ce dernier s'échauffe : c'est l'effet Joule.

En bref : l'effet Joule existe dans tous les conducteurs parcourus par un courant, même les fils de connexion — c'est un échauffement inévitable.

2 Cas du conducteur ohmique — Loi de Joule

Établissement de la loi

On considère un conducteur ohmique de résistance $R$, parcouru par un courant d'intensité $I$ et soumis à une tension $U_{AB}$.

L'énergie électrique reçue par le conducteur pendant la durée $\Delta t$ est :

$$W_e = U_{AB} \cdot I \cdot \Delta t$$

D'après la loi d'Ohm : $U_{AB} = R \cdot I$, d'où la loi de Joule :

$$W_e = Q = R \cdot I^2 \cdot \Delta t$$

Conducteur ohmique de résistance $R$

Propriété

Le conducteur ohmique transforme toute l'énergie électrique qu'il reçoit en énergie thermique (il n'y a pas d'autre forme d'énergie utile).

La puissance électrique (dissipée par effet Joule) est :

$$P = R \cdot I^2$$
Attention : la loi $Q = R\cdot I^2 \cdot \Delta t$ n'est valable que pour un conducteur ohmique pur (résistance). Pour un récepteur qui produit aussi une autre forme d'énergie (moteur, électrolyseur), on utilise $W = U_{AB}\cdot I \cdot \Delta t$.
📝 Application

Un conducteur ohmique de résistance $R = 20\ \Omega$ est parcouru par un courant $I = 3\text{ A}$ pendant $\Delta t = 10\text{ min}$. Calculer l'énergie thermique $Q$ dissipée et la puissance $P$.

Étape 1 : $\Delta t = 10 \times 60 = 600\text{ s}$
Étape 2 : $Q = R \cdot I^2 \cdot \Delta t = 20 \times 3^2 \times 600$
Étape 3 : $Q = 20 \times 9 \times 600 = 108\,000\text{ J} = 108\text{ kJ}$
Étape 4 : $P = R \cdot I^2 = 20 \times 9 = 180\text{ W}$
✅ $Q = 108\text{ kJ}$ et $P = 180\text{ W}$

3 Exploitation graphique (méthode TP calorimétrie)

Principe du TP

On plonge une résistance chauffante $R$ dans un calorimètre contenant une masse $m$ d'eau, alimentée par un courant constant $I$. On relève la température $\theta$ à intervalles réguliers, puis on calcule $Q = (m\,c_{eau} + C_{cal})\cdot(\theta - \theta_0)$ pour chaque instant $t$.

Graphique $Q = f(t)$ : une droite passant par l'origine

Exploitation

Le graphique $Q = f(t)$ est une droite passant par l'origine, ce qui confirme que $Q$ est proportionnelle à $t$ (à $I$ constant).

Le coefficient directeur (la pente) de cette droite représente la puissance dissipée :

$$a = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t} = P = R \cdot I^2$$
Méthode pas à pas : 1) tracer $Q=f(t)$ à partir du tableau de mesures  →  2) vérifier que c'est une droite par l'origine  →  3) calculer la pente $a = \dfrac{Q_2-Q_1}{t_2-t_1}$  →  4) comparer $a$ avec $R\cdot I^2$ calculé à partir des valeurs mesurées de $R$ et $I$.

4 Conséquences de l'effet Joule

Effets bénéfiquesEffets indésirables
Appareils chauffants (fer à repasser, grille-pain, four, cafetière, radiateur...) Pertes énergétiques dans les appareils et le transport de l'électricité
Éclairage par incandescence Échauffement des appareils électriques et leur détérioration
Fusibles (protection des circuits) —
Résumé de la partie 2
  • L'effet Joule = échauffement d'un conducteur parcouru par un courant.
  • Conducteur ohmique : $W_e = Q = R\cdot I^2 \cdot \Delta t$ et $P = R\cdot I^2$.
  • Toute l'énergie électrique reçue par un conducteur ohmique devient énergie thermique.
  • Graphiquement, $Q=f(t)$ est une droite par l'origine de pente $R\cdot I^2$.
  • Effets bénéfiques (chauffage, fusibles) et indésirables (pertes, échauffement).
Partie 1 Partie 3