EFFET JOULE: EXPLICATIONS, EXEMPLES, EXERCICES, APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

L' effet Joule ou loi de Joule est le résultat de la transformation de l'énergie électrique en chaleur, qui a lieu lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur. Cet effet est présent chaque fois qu'un appareil ou appareil qui a besoin d'électricité pour fonctionner est allumé.

D'autres fois, cela n'est pas souhaitable et on cherche à le minimiser, c'est pourquoi des ventilateurs sont ajoutés au PC de bureau pour dissiper la chaleur, car cela peut provoquer une défaillance des composants internes.

Les appareils qui utilisent l'effet Joule pour produire de la chaleur, ont à l'intérieur une résistance qui s'échauffe lorsqu'un courant le traverse, appelée élément chauffant.

Explication

L'effet Joule trouve son origine à l'échelle microscopique dans les particules, aussi bien celles qui composent un matériau que celles qui portent une charge électrique.

Les atomes et les molécules d'une substance sont dans leur position la plus stable au sein de la substance. Pour sa part, le courant électrique consiste en un mouvement ordonné de charges électriques, qui proviennent du pôle positif de la batterie. Lorsqu'ils sortent de là, ils ont beaucoup d'énergie potentielle.

Lors de leur passage, les particules chargées impactent celles du matériau et les font vibrer. Ceux-ci essaieront de retrouver l'équilibre qu'ils avaient auparavant, en fournissant un excès d'énergie à leur environnement sous forme de chaleur perceptible.

La quantité de chaleur Q dégagée dépend de l'intensité du courant I, du temps pendant lequel il circule à l'intérieur du conducteur Δt et de l'élément résistif R:

L'équation ci-dessus est appelée loi de Joule-Lenz.

Exemples

Deux physiciens, le britannique James Joule (1818-1889) et le russe Heinrich Lenz (1804-1865) ont indépendamment observé qu'un fil porteur de courant devenait non seulement chaud, mais que son courant diminuait au cours du processus.

Ensuite, il a été établi que la quantité de chaleur dissipée par la résistance est proportionnelle à:

- Le carré de l'intensité du courant de circulation.

- Le temps pendant lequel ledit courant est resté à travers le conducteur.

- La résistance dudit conducteur.

Les unités de chaleur sont les mêmes unités d'énergie: joules, en abrégé J. Le joule est une unité d'énergie assez petite, donc d'autres sont souvent utilisées, comme les calories, par exemple.

Pour transformer les joules en calories, il suffit de multiplier par le facteur 0,24, de sorte que l'équation donnée au début soit directement exprimée en calories:

Effet Joule et transport d'énergie électrique

L'effet Joule est le bienvenu pour produire de la chaleur localisée, comme les brûleurs et les sèche-cheveux. Mais dans d'autres cas, il a des effets indésirables, tels que:

- Un échauffement très important des conducteurs peut être dangereux, provoquant des incendies et des brûlures.

- Les appareils électroniques à transistors diminuent leurs performances et peuvent tomber en panne même s'ils deviennent trop chauds.

- Les fils qui transportent l'énergie électrique subissent toujours un échauffement, même légèrement, ce qui entraîne des pertes d'énergie notables.

En effet, les câbles qui transportent le courant des centrales électriques parcourent des centaines de kilomètres. Une grande partie de l'énergie qu'ils transportent n'atteint pas sa destination, car elle est gaspillée en chemin.

Pour éviter cela, on cherche à ce que les conducteurs présentent le moins de résistance possible. Ceci est influencé par trois facteurs importants: la longueur du fil, la section transversale et le matériau à partir duquel il est fabriqué.

Les meilleurs conducteurs sont les métaux, l'or, l'argent, le platine ou le cuivre étant parmi les plus efficaces. Les fils des câbles sont constitués de filaments de cuivre, un métal qui, bien qu'il ne conduise pas aussi bien que l'or, est beaucoup moins cher.

Plus un fil est long, plus il aura de résistance, mais en les rendant plus épais, la résistance diminue, car cela facilite le mouvement des porteurs de charge.

Une autre chose qui peut être faite est de diminuer l'intensité du courant, de sorte que le chauffage soit minimisé. Les transformateurs sont chargés de contrôler correctement l'intensité, c'est pourquoi ils sont si importants dans la transmission de l'énergie électrique.

Exercices

Exercice 1

Un radiateur indique qu'il a une puissance de 2000W et est connecté à la prise 220 V. Calculez ce qui suit:

a) Intensité du courant traversant le radiateur

b) Quantité d'énergie électrique qui a été transformée après une demi-heure

c) Si toute cette énergie est investie dans le chauffage de 20 litres d'eau, qui sont initialement à 4 ºC, quelle sera la température maximale à laquelle l'eau peut être chauffée?

Solution pour

La puissance est définie comme l'énergie par unité de temps. Si dans l'équation donnée au début on passe le facteur Δt vers la droite, on aura précisément l'énergie par unité de temps:

La résistance de l'élément chauffant peut être connue par la loi d'Ohm: V = IR, d'où il résulte que I = V / R. donc:

Ainsi les résultats actuels:

Solution b

Dans ce cas Δt = 30 minutes = = 30 x 60 secondes = 1800 secondes. La valeur de la résistance est également requise, ce qui est effacé de la loi d'Ohm:

Les valeurs sont substituées dans la loi de Joule:

Solution c

La quantité de chaleur Q nécessaire pour porter une quantité d'eau à une certaine température dépend de la chaleur spécifique et de la variation de température à obtenir. Il est calculé par:

Ici m est la masse d'eau, C _e est la chaleur spécifique, qui est déjà prise comme donnée pour le problème, et ΔT est la variation de température.

La masse d'eau est celle de 20 L. Elle est calculée à l'aide de la densité. La densité de l'eau ρ _eau est le rapport masse / volume. De plus, vous devez convertir des litres en mètres cubes:

Puisque m = densité x volume = ρV, la masse est.

Notez qu'il est nécessaire de passer des degrés centigrades à kelvin, en ajoutant 273,15 K.Remplacement de ce qui précède dans l'équation de la chaleur:

Exercice 2

a) Trouvez des expressions de puissance et de puissance moyenne pour une résistance connectée à une tension alternative.

b) Supposons que vous ayez un sèche-cheveux avec une puissance de 1000 W connecté à la prise 120 V, trouvez la résistance de l'élément chauffant et le courant de crête - courant maximum - à travers celui-ci.

c) Qu'arrive-t-il au sèche-linge lorsqu'il est connecté à une prise 240 V?

Solution pour

La tension de prise est alternative, sous la forme V = V _o. sen ωt. Comme il est variable dans le temps, il est très important de définir les valeurs effectives de la tension et du courant, qui sont désignées par l'indice «rms», qui correspond à la moyenne quadratique.

Ces valeurs de courant et de tension sont:

Lors de l'application de la loi d'Ohm, le courant en fonction du temps est comme:

Dans un tel cas, la puissance dans une résistance traversée par un courant alternatif est:

On voit que la puissance varie également avec le temps, et que c'est une grandeur positive, puisque tout est au carré et R est toujours> 0. La valeur moyenne de cette fonction est calculée par intégration dans un cycle et résulte:

En termes de tension et de courant effectifs, la puissance ressemble à ceci:

Solution b

Application de la dernière équation avec les données fournies:

_Moyenne P = 1000 W et V _rms = 120 V

Par conséquent, le courant maximal à travers l'élément chauffant est:

La résistance peut être résolue à partir de l'équation de la puissance moyenne:

P _moyenne = V _eff. I _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

C'est environ 4 fois la puissance pour laquelle l'élément chauffant est conçu, qui brûlera peu de temps après avoir été branché sur cette prise.

Applications

Ampoules incandescentes

Une ampoule à incandescence produit de la lumière et de la chaleur, ce que nous pouvons remarquer immédiatement lorsque nous la connectons. L'élément qui produit les deux effets est un filament conducteur très fin, qui présente donc une résistance élevée.

Grâce à cette augmentation de résistance, bien que le courant ait diminué dans le filament, l'effet Joule se concentre à tel point qu'il se produit une incandescence. Le filament, en tungstène en raison de son point de fusion élevé de 3400 ºC, émet de la lumière et de la chaleur.

Le dispositif doit être enfermé dans un récipient en verre transparent, qui est rempli d'un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote à basse pression, pour éviter la détérioration du filament. Sinon, l'oxygène de l'air consomme le filament et l'ampoule cesse de fonctionner instantanément.

Interrupteurs magnéto-thermiques

Les effets magnétiques des aimants disparaissent à haute température. Cela peut être utilisé pour créer un appareil qui interrompt le flux de courant, lorsqu'il est excessif. Il s'agit d'un interrupteur magnétothermique.

Une partie du circuit à travers laquelle le courant circule est fermée par un aimant fixé à un ressort. L'aimant adhère au circuit grâce à l'attraction magnétique et le reste tant qu'il n'est pas fragilisé par le chauffage.

Lorsque le courant dépasse une certaine valeur, le magnétisme s'affaiblit et le ressort détache l'aimant, provoquant l'ouverture du circuit. Et comme le courant a besoin que le circuit soit fermé pour circuler, il s'ouvre et le flux de courant est interrompu. Cela empêche les câbles de chauffer, ce qui pourrait provoquer des accidents tels que des incendies.

Fusibles

Une autre façon de protéger un circuit et d'interrompre la circulation du courant en temps opportun est au moyen d'un fusible, une bande de métal qui, lorsqu'elle est chauffée par effet Joule, fond, laissant le circuit ouvert et interrompant le courant.

Figure 2. Un fusible est un élément de protection de circuit. Le métal fond lorsqu'il est traversé par un courant excessif. Source: Pixabay.

Pasteurisation ohmique chauffante

Il consiste à faire passer un courant électrique à travers les aliments, qui ont naturellement une résistance électrique. Pour cela, des électrodes en matériau anticorrosion sont utilisées. La température des aliments augmente et la chaleur détruit les bactéries, aidant à les conserver plus longtemps.

L'avantage de cette méthode est que le chauffage se produit en beaucoup moins de temps que celui requis par les techniques conventionnelles. Un chauffage prolongé détruit les bactéries mais neutralise également les vitamines et minéraux essentiels.

Le chauffage ohmique, qui ne dure que quelques secondes, permet de préserver le contenu nutritionnel des aliments.

Expériences

L'expérience suivante consiste à mesurer la quantité d'énergie électrique convertie en énergie thermique en mesurant la quantité de chaleur absorbée par une masse d'eau connue. Pour ce faire, une bobine de chauffage est immergée dans l'eau, à travers laquelle un courant est passé.

matériaux

- 1 tasse en polystyrène

- Multimètre

- Thermomètre Celsius

- 1 source d'alimentation réglable, plage 0-12 V

- Équilibre

- Câbles de connexion

- Chronomètre

Processus

La résistance s'échauffe par effet joule et donc l'eau aussi. Nous devons mesurer la masse d'eau et sa température initiale, et déterminer à quelle température nous allons la chauffer.

Figure 3. Expérience pour déterminer la quantité d'énergie électrique transformée en chaleur. Source: F. Zapata.

Des lectures successives sont prises toutes les minutes, enregistrant les valeurs de courant et de tension. Une fois l'enregistrement disponible, l'énergie électrique fournie est calculée à l'aide des équations:

Q = I ².R. Δt (loi de Joule)

V = IR (loi d'Ohm)

Et comparez avec la quantité de chaleur absorbée par le plan d'eau:

Q = m. C _e. ΔT (voir exercice 1 résolu)

Puisque l'énergie est conservée, les deux quantités doivent être égales. Cependant, bien que le polystyrène ait une faible chaleur spécifique et n'absorbe presque pas d'énergie thermique, il y aura quand même des pertes dans l'atmosphère. L'erreur expérimentale doit également être prise en compte.

Les pertes dans l'atmosphère sont minimisées si l'eau est chauffée au même nombre de degrés au-dessus de la température ambiante qu'elle l'était en dessous avant de commencer l'expérience.

En d'autres termes, si l'eau était à 10 ° C et que la température ambiante était de 22 ° C, alors vous devez porter l'eau à 32 ° C.

Références

1. Kramer, C. 1994. Pratiques physiques. McGraw Hill. 197.
2. Le tamis. Effet Joule. Récupéré de: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 5. Electrostatique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6 ^ème. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuel. Qu'est-ce que l'effet Joule et pourquoi il est devenu quelque chose de transcendantal dans nos vies. Récupéré de: hypertextual.com
6. Wikipédia. Effet Joule. Récupéré de: es.wikipedia.org.
7. Wikipédia. Chauffage Joule. Récupéré de: en. wikipedia.org.