11.7-Heating Effect of Electric Current

11.7-Heating Effect of Electric Current Important Formulae

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The heating effect of electric current is a phenomenon where electric energy is converted into heat energy when an electric current passes through a conductor. This effect is utilized in various electrical appliances such as toasters, electric heaters, and incandescent bulbs.

According to Joule's law, the amount of heat produced in a conductor is directly proportional to the square of the current (\(I\)) flowing through it, the resistance (\(R\)) of the conductor, and the time (\(t\)) for which the current flows. This relationship can be expressed with the formula:

$$ H = I^2 R t $$

Where:

  • H: Heat produced (in Joules)
  • I: Current (in Amperes)
  • R: Resistance (in Ohms)
  • t: Time (in seconds)

The heating effect is significant because different materials have different resistances. The resistance of a conductor affects how much heat is generated. For example, materials like copper and aluminum have low resistance, making them good conductors, while materials like rubber and glass have high resistance, making them good insulators.

The specific resistance of a material can be defined using the formula:

$$ R = \rho \frac{L}{A} $$

Where:

  • R: Resistance (in Ohms)
  • $\rho$: Resistivity of the material (in Ohm-meter)
  • L: Length of the conductor (in meters)
  • A: Cross-sectional area of the conductor (in square meters)

When the current flows through a conductor, collisions occur between the charge carriers (like electrons) and the atoms in the material. These collisions cause the atoms to vibrate more, resulting in an increase in temperature and, consequently, the generation of heat.

One important application of the heating effect of electric current is in electric heaters. These devices are designed to maximize the heating effect by using resistive materials that generate significant heat when current passes through them. The heat produced can be used for warming a room or for industrial heating processes.

Another common application is in incandescent light bulbs, where the tungsten filament heats up to a temperature that produces visible light. The efficiency of these bulbs is relatively low, as much of the energy is lost as heat rather than light.

Safety precautions are essential when dealing with electrical devices to prevent overheating and potential fire hazards. Circuit breakers and fuses are used to disconnect the current if it exceeds a safe level, thus preventing excessive heating.


Tommaso.sansone91, CC0, via Wikimedia Commons

11.7-Heating Effect of Electric Current

वर्तमान में विद्युत धारा के प्रवाह के दौरान उत्पन्न होने वाली ऊष्मा को "वातावरणीय प्रभाव" कहा जाता है। जब विद्युत धारा किसी चालक से प्रवाहित होती है, तो चालक के अणु आपस में टकराते हैं, जिससे ऊर्जा का रूपांतरण होता है और ऊष्मा उत्पन्न होती है।

1. विद्युत ऊर्जा का रूपांतरण

जब विद्युत धारा किसी चालक में बहती है, तो चालक के अणु और मुक्त इलेक्ट्रॉन आपस में टकराते हैं। यह टक्कर विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तित करती है। यह घटना "हीटिंग effect of current" कहलाती है।

2. Joule's Law of Heating

वातावरणीय प्रभाव को समझने के लिए Joule का हीटिंग नियम महत्वपूर्ण है। यह नियम कहता है कि एक चालक के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा से उत्पन्न होने वाली ऊष्मा (H) निम्नलिखित सूत्र से दी जाती है:

$H = I^2 R t$

यहाँ,
H = उत्पन्न ऊष्मा (Joules में)
I = विद्युत धारा (Ampere में)
R = चालक का प्रतिरोध (Ohms में)
t = समय (सेकंड में)

3. Joule’s Law का उदाहरण

अगर एक विद्युत उपकरण (जैसे हीटर) में 2 Ampere की धारा 5 ओम प्रतिरोध वाले चालक से 10 सेकंड तक प्रवाहित होती है, तो उत्पन्न होने वाली ऊष्मा को हम Joule के नियम का उपयोग करके इस प्रकार निकाल सकते हैं:

$H = (2)^2 \times 5 \times 10 = 4 \times 5 \times 10 = 200 \text{ Joules}$

4. Heating Effect के प्रयोग

वातावरणीय प्रभाव का उपयोग विभिन्न विद्युत उपकरणों में किया जाता है, जैसे कि:

  • इलेक्ट्रिक हीटर
  • टोस्टर
  • इलेक्ट्रिक आयरन
  • बल्ब

इन उपकरणों में विद्युत धारा का बहाव प्रतिरोधक तत्व (जैसे तार) से होता है, और इसी प्रक्रिया में उत्पन्न ऊष्मा का उपयोग किया जाता है।

5. प्रतिरोध और ऊष्मा

किसी चालक का प्रतिरोध (R) उस पर बहने वाली विद्युत धारा द्वारा उत्पन्न होने वाली ऊष्मा की मात्रा को प्रभावित करता है। जब प्रतिरोध अधिक होता है, तो उत्पन्न होने वाली ऊष्मा भी अधिक होती है।

6. ऊर्जा की दक्षता

चालक से बहने वाली विद्युत धारा से उत्पन्न होने वाली ऊष्मा का कुछ हिस्सा नष्ट हो सकता है, जिससे ऊर्जा की दक्षता पर प्रभाव पड़ता है। इस कारण, अधिक प्रतिरोध वाले चालक कम दक्षता प्रदान कर सकते हैं।

Why does the cord of an electric heater not glow while the heating element does?

Solution:

Difference in Glow Between Heater Cord and Heating Element

The cord of an electric heater does not glow while the heating element does due to differences in resistance and temperature. The heating element is designed to have high resistance, allowing it to convert electrical energy into heat effectively. This high resistance causes it to reach high temperatures, resulting in a visible glow. In contrast, the cord is made of materials with lower resistance, designed to carry current efficiently without excessive heat. As a result, it does not reach high temperatures and thus does not emit light or glow during operation.

Compute the heat generated while transferring 96000 coulomb of charge in one hour through a potential difference of 50 V.

Solution:

Heat Generated During Charge Transfer

To compute the heat generated, we use the formula:

Q = V × I × t

Where Q is the heat energy, V is the potential difference, I is the current, and t is the time.

First, we find the current:

I = Q/t = 96000 C / (1 hour × 3600 s) = 26.67 A

Now, substituting the values:

Q = 50 V × 26.67 A × 3600 s = 4800000 J

Thus, the heat generated is 4800000 joules.

An electric iron of resistance 20 Ω takes a current of 5 A. Calculate the heat developed in 30 s.

Solution:

Heat Developed in an Electric Iron

To calculate the heat developed in the electric iron, we use the formula:

Q = I² × R × t

Where Q is the heat energy, I is the current, R is the resistance, and t is the time.

Given: R = 20 Ω, I = 5 A, and t = 30 s.

Now, substituting the values:

Q = (5 A)² × 20 Ω × 30 s = 25 × 20 × 30 = 15000 J.

Therefore, the heat developed is 15000 joules.