Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
C

courant électrique (suite)

Effet Joule

Tout conducteur parcouru par un courant s’échauffe, que la conduction y soit électronique ou ionique. Ce dégagement de chaleur est appelé effet Joule.

Dans une résistance morte, toute l’énergie électrique est transformée en chaleur. La loi d’Ohm, V = RI, peut s’écrire VIt = RI2t. Donc l’énergie et la puissance calorifiques qui apparaissent dans le fil sont
W = RI2t et P = RI2,
proportionnelles au carré de l’intensité.

On dispose fréquemment d’une tension V constante quelle que soit l’intensité débitée ; la puissance dissipée dans une résistance R branchée sous cette tension V devient :

d’autant plus grande que la résistance est petite. Cette formule met en évidence les inconvénients d’un court-circuit : si la résistance est très faible, la puissance calorifique est considérable, ce qui peut provoquer des dégâts et même des incendies.

L’effet Joule, représentant une dissipation d’énergie, est en général nuisible. Ainsi les pertes en ligne dans les réseaux de distribution d’énergie représentent un pourcentage important de la production. Dans un moteur, une dynamo, non seulement il y a de l’énergie inutilement dépensée, mais encore il faut prévoir un dispositif de refroidissement pour empêcher une trop forte élévation de température.

En effet, tout conducteur parcouru par un courant s’échauffe et finit par atteindre une température d’équilibre d’autant plus élevée que l’intensité est plus grande et les conditions de refroidissement plus mauvaises. Une température trop élevée risque de détériorer le conducteur ou les corps qui l’entourent ; il existe pour tout conducteur et pour tout appareil électrique une intensité maximale tolérable. Ainsi, pour un fil de cuivre dont le diamètre est de l’ordre du millimètre, on peut tolérer une densité de courant de 8 A/mm2 s’il est nu, mais de 4 A/mm2 seulement s’il est isolé sous moulure. Pour protéger une installation électrique contre une intensité trop forte, due par exemple à un court-circuit, on place souvent en série un coupe-circuit fusible : c’est un fil de plomb ou d’aluminium qui atteint la température de fusion lorsque l’intensité dépasse la valeur considérée comme le maximum tolérable. Dans une installation importante, on utilise plutôt des disjoncteurs électromagnétiques.

On met à profit ce dégagement de chaleur, par exemple :
— dans les appareils de chauffage (radiateurs, bouilloires, fers à repasser, fours électriques, etc.) ;
— dans les lampes à incandescence à filament de tungstène ;
— dans les ampèremètres thermiques, qui permettent de déterminer l’intensité qui traverse un conducteur.


Récepteurs

Un récepteur est un appareil qui absorbe de l’énergie électrique autrement que par effet Joule.

Par exemple, un électrolyseur transforme de l’énergie électrique en énergie chimique, un moteur la transforme en travail ou énergie mécanique.

Un récepteur est formé par une suite de conducteurs ayant une certaine résistance R, et une partie de l’énergie qu’il reçoit est absorbée par effet Joule. Lorsqu’il existe entre ses bornes une différence de potentiel V, la puissance électrique totale qu’il reçoit est P = VI. Elle est égale à la somme de la puissance P′ = RI2 absorbée par effet Joule et la puissance P″ absorbée autrement :
P = P′ + P″,
ce qui peut s’écrire :
VI = RI2 + P″
ou

Le quotient P″/I de la puissance absorbée autrement que par effet Joule par l’intensité du courant qui traverse le récepteur est appelé sa force contre-électromotrice E′ (f.c.é.m.) ; elle s’évalue, comme les différences de potentiel, en volts.

Pour certains récepteurs, tels que les électrolyseurs, elle est constante ; pour d’autres, elle dépend des conditions de leur utilisation : par exemple, la f.c.é.m. d’un moteur dépend de sa vitesse de rotation ; en particulier, elle est nulle lorsque le moteur est bloqué, puisqu’il ne fournit alors aucune puissance mécanique.

L’équation précédente s’écrit :
V = RI + E′.
Elle traduit la loi d’Ohm pour un récepteur.


Générateurs

Un générateur est un appareil qui, maintenant une certaine différence de potentiel entre ses bornes, est responsable du passage du courant dans un circuit. Le passage du courant dans ce circuit se traduit par une absorption d’énergie électrique sous différentes formes ; il faut donc que le générateur fournisse de l’énergie électrique ; il la produit à partir d’une autre forme d’énergie. Si c’est une pile électrique, ou un accumulateur, cette énergie provient des réactions chimiques dont ces générateurs sont le siège ; si c’est une dynamo, elle est produite à partir de l’énergie mécanique fournie à l’arbre de la machine.

Appelons P la puissance électrique fournie au circuit complet par le générateur lorsque l’intensité du courant qu’il débite est I. Cette puissance se retrouve en partie sous forme de la puissance P′ = VI absorbée par le circuit extérieur, V étant la différence de potentiel entre les bornes du générateur ; le reste est la puissance P″ = rI2 absorbée dans le générateur lui-même, dont la résistance est r, par effet Joule. Nous pouvons écrire :
P = P′ + P″
ou P = VI + rI2,
ou encore :

On appelle le quotient P/I, de la puissance électrique totale fournie par le générateur par l’intensité du courant qu’il débite, la force électromotrice E (f.é.m.) du générateur ; elle s’évalue en volts.

La relation précédente s’écrit alors :
E = V + rI
ou V = E – rI.

Cette équation, qui donne la différence de potentiel existant entre les bornes d’un générateur de f.é.m. E, de résistance intérieure r, lorsqu’il débite un courant d’intensité I, traduit la loi d’Ohm pour un générateur.

Les piles et les accumulateurs ont des f.é.m. constantes, de l’ordre de 1 à 2 volts ; on peut les grouper en série pour avoir des générateurs de f.é.m. plus importantes. Les dynamos ont des f.é.m. qui peuvent atteindre plusieurs centaines de volts, mais qui dépendent de leur vitesse de rotation.