The Joule-effekten er den termiske manifestasjon av elektrisk motstand som oppstår når en elektrisk strøm passerer gjennom et hvilket som helst ledende materiale . Effekten er oppkalt etter den engelske fysikeren James Prescott Joule som oppdaget den i 1840.
Generelt tilføres elektrisk strøm av bevegelse av elektriske ladninger. Disse bevegelige ladebærerne samhandler med atomene som utgjør mediet de beveger seg i - for eksempel en elektrisk kabel - som utgjør en brems, en motstand mot deres bevegelser. For å overføre en bestemt mengde elektrisk strøm gjennom denne kabelen, er det derfor nødvendig å levere en ekstra effekt til den som kreves på slutten av lederen, som vil bli spredt under interaksjoner med atomene, i form av termisk energi (spredning av energi elektrisk i form av varme ). Dette kalles Joule-effekten.
Det er bare ett unntak fra denne regelen: superledere , som krever spesielle forhold for å beholde eiendommen.
Joule-effekten er en termisk effekt som oppstår når elektrisk strøm passerer gjennom en leder. Det manifesterer seg som en økning i lederens indre energi og generelt i temperaturen .
Energien spredt i form av varme mellom to øyeblikk t 1 og t 2 av en dipol med motstand R krysset av en strøm med intensitet i, skrives:
med:
Gjennomsnittlig effekt er derfor verdt:
med: P i watt (W)
Hvis denne dipolen tilfredsstiller Ohms lov , kan vi skrive:
med den effektive verdien av spenningen ved terminalene.
På lokal skala blir kraften som spres av Joule-effekten per volumenhet gitt av
hvor j eff er rms- verdien til strømtettheten j (t) og ρ er resistiviteten til materialet.
Bruken av disse formlene er ikke alltid lett, spesielt når motstanden avhenger av temperaturen på lederen. Effekten som avledes av Joule-effekten endrer temperaturen som endrer motstanden som modifiserer effekten som blir avledet av Joule-effekten.
Joule-effekten manifesteres i en hvilken som helst elektrisk leder med mer eller mindre betydning:
Den lokale formen av Joules lov gjør det mulig å bestemme kraften som spres av Joule-effekten lokalt og i spesielle tilfeller som en inhomogen fordeling av strømtettheten i en leder (som er tilfelle i høyfrekvente ledere på grunn av hudeffekten ). Den lokale formen for Joule-effekten gjør det mulig å etablere uttrykket for kraften per volumenhet (p) som er skrevet:
hvor, er strømtettheten og er det elektriske feltet.
Vi kan dermed finne den velkjente formen av Joule-effekten ( ) så vel som det klassiske uttrykket for motstanden til en sylindrisk leder. Betrakt en homogen leder med lengde L (langs en akse z) og radius r, matet med en strøm, I, av homogen tetthet , båret av den langsgående retningen til lednings: .
Kraften på driverens volum (P) uttrykkes:
siden kan vi erstatte uttrykket for kraften som blir:
da, da strømtetthetsvektoren bare har en komponent, som antas å være homogen på lederen, blir kraften:
den nåværende tettheten er konstant, den tas ut av integralen og den kommer:
Til slutt, og bemerker at volumet på guidekabelen er , gir resultatet av integralet over volumet:
eller ved å bruke :
Ved å bruke det faktum at ( ) eller S er delen av lederen (dvs. ( ), blir kraften:
uttrykk der vi finner: ( ) ved å sette
Den vanligste bruken av Joule-effekten er elektrisk oppvarming: strykejern , elektrisk ovn , stekeovn , komfyr , oppvarmingsovn , vannkoker , hårføner , brødrister , elektrisk teppe . Disse enhetene som bruker en elektrisk motstand, har en teoretisk termodynamisk effektivitet på 100%: de kan konvertere all den elektriske energien til varme ved konveksjon og stråling.
Imidlertid er de mye mindre effektive enn varmepumper , som har en mye høyere energibalanse (omtrent tre ganger mer).
Den glødelamper også ty til Joule-effekten: filament wolfram , plassert i et kammer som inneholder en edelgass , oppvarmes til en høy temperatur (mer enn 2200 ° C ). Ved denne temperaturen avgir materialet stråling i det synlige ( Plancks lov ), men også i den usynlige ( infrarøde strålingen ) som varmer opp glasskonvolutten og miljøet. Dette forklarer hvorfor lyseffektiviteten til glødelamper er ganske lav (5 ganger mindre enn lysrør, 10 ganger mindre enn utladningslamper).
De sikringer er enheter ved hjelp av Joule-varme for å smelte en kalibrert leder for å isolere en elektrisk krets i tilfelle av overstrøm .
De termiske effektbryterne eller magnetotermiske bruker samme effekt, men uten fysisk ødeleggelse kan de tilbakestilles.
Elektriske kabler gir motstand mot strømmen av elektroner som medfører tap i kalorier på grunn av Joule-effekten.