Qu'est-ce que l'effet thermique du courant ?
Une pile pousse sans cesse des charges à travers une résistance. La source fournit un travail ; dans une résistance, ce travail ne met rien en mouvement, donc il se transforme entièrement en chaleur. Les électrons en mouvement heurtent sans arrêt les atomes du métal, leur transmettent de l'énergie et les font vibrer plus vite, ce que nous ressentons comme une hausse de température. C'est l'effet thermique du courant électrique (effet Joule).
Démonstration de la loi de Joule
Un courant I traverse une résistance R pendant un temps t, avec une tension V à ses bornes. Charge déplacée : Q = It. Travail fourni par la source : W = VQ = VIt. Ce travail devient de la chaleur : H = VIt. Avec la loi d'Ohm V = IR :
H = I²Rt (aussi H = VIt = V²t/R)
Loi de Joule : la chaleur produite dans une résistance est (i) proportionnelle au carré du courant, (ii) proportionnelle à la résistance pour un courant donné, et (iii) proportionnelle à la durée pendant laquelle le courant passe. H est en joules quand I est en A, R en Ω et t en s.
Applications de l'effet thermique
- Appareils de chauffage : fer à repasser, grille-pain, four, bouilloire, radiateur et chauffe-eau utilisent des fils de nichrome (forte résistivité, température de fusion élevée, s'oxyde peu).
- Ampoule électrique : le filament est en tungstène, qui ne fond qu'à environ 3380 °C ; il peut donc devenir blanc de chaleur. L'ampoule est remplie de gaz inertes (azote et argon) pour que le filament ne brûle pas. La plus grande partie de l'énergie devient quand même de la chaleur ; seule une petite part devient de la lumière.
- Fusible électrique : un court fil d'un métal ou d'un alliage à bas point de fusion (comme un alliage étain–plomb), placé en série avec l'appareil. Si le courant dépasse le calibre du fusible (1 A, 2 A, 5 A, 10 A, 15 A…), le fil chauffe, fond et coupe le circuit, ce qui protège les fils et les appareils. On choisit un calibre un peu supérieur au courant normal : par exemple, un fer de 1 kW sous 220 V consomme environ 4.5 A, donc on utilise un fusible de 5 A.
Quand la chaleur est-elle gênante ?
Dans les fils, les moteurs, les ordinateurs et les chargeurs, la chaleur est de l'énergie perdue et peut abîmer les pièces. C'est pourquoi les fils de connexion sont en cuivre épais, les appareils électroniques ont des ventilateurs ou des aérations, et l'électricité est transportée sur de longues distances à très haute tension (pour que le courant, et donc la perte I²R, reste faible).
Formules et définitions clés
- H = I² R t (loi de Joule)
- H = V I t = V² t / R
- Q = I t, W = V Q
- Unités : H en joules (J), I en A, R en Ω, t en s
Exemples résolus
1. Un courant de 2 A traverse une résistance de 10 Ω pendant 30 s. Calcule la chaleur produite.
H = I²Rt = 2² × 10 × 30 = 1200 J.
2. Un fer à repasser de résistance 50 Ω consomme 4 A. Quelle chaleur produit-il en 1 minute ?
H = 4² × 50 × 60 = 48 000 J = 48 kJ.
3. Un radiateur de 20 Ω est branché sur 220 V pendant 10 s. Calcule la chaleur produite.
H = V²t/R = 220² × 10 / 20 = 24 200 J.
4. Si le courant dans un radiateur devient trois fois plus grand, combien de fois la chaleur produite dans le même temps est-elle multipliée ?
H ∝ I², donc la chaleur est multipliée par 3² = 9.
5. Une bouilloire produit 60 000 J en 2 minutes avec un courant de 5 A. Calcule sa résistance.
t = 120 s. R = H / (I²t) = 60 000 / (25 × 120) = 20 Ω.
6. Un radiateur de 1100 W fonctionne sous 220 V. Quel fusible choisis-tu : 2 A, 5 A ou 10 A ?
Courant normal I = P/V = 1100/220 = 5 A. Le fusible doit être un peu au-dessus, donc on choisit le fusible de 10 A ; un fusible de 5 A fondrait en usage normal.
Erreurs fréquentes
- Croire que la chaleur est proportionnelle au courant. Elle est proportionnelle à I² : si I double, la chaleur est multipliée par 4.
- Utiliser des minutes pour t dans H = I²Rt. Convertis toujours en secondes.
- Brancher un fusible en parallèle. Un fusible doit être en série pour que tout le courant le traverse.
- Dire que le cuivre convient pour les résistances chauffantes. Le cuivre a une faible résistivité et s'oxyde ; on utilise le nichrome.