Class 10th Science Chapter 11 – Electricity | Joule’s Law of Heating

⚡ Electricity | Joule’s Law of Heating

जूल का ऊष्मीय प्रभाव का नियम | Class 10 Science | CBSE + Foundation + Competitive

⚡ Joule’s Law of Heating | जूल का ऊष्मीय प्रभाव

1. Introduction | परिचय

जब किसी चालक में विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो चालक का कुछ विद्युत ऊर्जा भाग ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। इसे विद्युत धारा का ऊष्मीय प्रभाव (Heating Effect of Electric Current) कहा जाता है।

इस घटना को मात्रात्मक रूप से समझाने वाला महत्वपूर्ण नियम Joule’s Law of Heating कहलाता है।

यह नियम बताता है कि किसी प्रतिरोधक में उत्पन्न ऊष्मा धारा, प्रतिरोध और समय पर किस प्रकार निर्भर करती है।

2. Joule’s Law of Heating | जूल का नियम

🔥 मुख्य सूत्र

H = I²Rt

जहाँ,

Symbol	Meaning	SI Unit
H	उत्पन्न ऊष्मा (Heat produced)	Joule (J)
I	Electric Current	Ampere (A)
R	Resistance	Ohm (Ω)
t	Time	Second (s)

Golden Rule:

किसी प्रतिरोधक में उत्पन्न ऊष्मा
धारा के वर्ग × प्रतिरोध × समय

अर्थात् H = I²Rt

3. Derivation of Joule’s Law | जूल के नियम की व्युत्पत्ति

विद्युत शक्ति का सूत्र है:

P = VI

विद्युत ऊर्जा:

E = Pt

अतः,

E = VIt

यदि विद्युत ऊर्जा पूरी तरह ऊष्मा में परिवर्तित हो रही है, तो:

H = VIt

Ohm's Law से:

V = IR

अतः V का मान रखने पर:

H = (IR)It

H = I²Rt

4. Different Forms of Joule’s Law

H = I²Rt

H = VIt

H = V²t/R

इन तीनों expressions का उपयोग परिस्थितियों के अनुसार किया जा सकता है।

Known Quantities	Useful Formula
I, R, t	H = I²Rt
V, I, t	H = VIt
V, R, t	H = V²t/R

5. Dependence of Heat Produced | ऊष्मा किन कारकों पर निर्भर करती है?

① Current पर निर्भरता

H ∝ I²

यदि प्रतिरोध और समय स्थिर हों, तो ऊष्मा धारा के वर्ग के समानुपाती होती है।

यदि धारा दोगुनी कर दी जाए:

H' = (2I)²Rt = 4H

अर्थात् Heat चार गुनी हो जाएगी।

② Resistance पर निर्भरता

H ∝ R

यह संबंध constant current की स्थिति में है।

③ Time पर निर्भरता

H ∝ t

यदि current और resistance स्थिर हों, तो अधिक समय तक धारा प्रवाहित होने पर अधिक ऊष्मा उत्पन्न होगी।

⚠ Important:

यह कहना कि “जिसका resistance अधिक होगा उसमें हमेशा अधिक heat उत्पन्न होगी” सही नहीं है।

Constant current: H ∝ R
Constant voltage: H ∝ 1/R

6. Animated Diagram | विद्युत धारा से ऊष्मा उत्पन्न होना

⚡ Electrical Energy → Heat Energy

7. Why Does Heating Occur? | ऊष्मा क्यों उत्पन्न होती है?

धातु के चालक में स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र के कारण गति करते हैं। ये इलेक्ट्रॉन चालक के परमाणुओं/आयनों से टकराते हैं। इन टक्करों के कारण विद्युत ऊर्जा का कुछ भाग आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित होता है। इसी के कारण चालक गर्म होता है।

Electric Field

→

Electron Motion

→

Collisions

→

Heat

8. Relation Between Joule’s Law and Electric Power

Electric Power:

P = VI

Ohm's Law V = IR से:

P = I²R

और V = IR से:

P = V²/R

Important Power Formulae

P = VI = I²R = V²/R

चूँकि:

H = Pt

इसलिए:

H = I²Rt

9. Applications of Joule’s Law | जूल के नियम के अनुप्रयोग

Device	Use of Heating Effect
Electric Heater	Electrical energy को heat में बदलना
Electric Iron	कपड़े press करने के लिए heat
Electric Kettle	पानी गर्म करना
Toaster	Food heating
Room Heater	कमरे को गर्म करना
Electric Geyser	पानी गर्म करना
Fuse	अधिक current पर heat उत्पन्न करके circuit को सुरक्षित करना
Incandescent Bulb	Filament का गर्म होकर प्रकाश देना

10. Why is Nichrome Used in Heating Elements?

Heating elements में सामान्यतः Nichrome का उपयोग किया जाता है क्योंकि:

• इसकी resistivity अपेक्षाकृत अधिक होती है।
• यह उच्च तापमान सह सकता है।
• यह आसानी से oxidise नहीं होता।
• इसका melting point उच्च होता है।

H = I²Rt

अधिक resistance उचित परिस्थितियों में अधिक heating effect प्राप्त करने में सहायता करता है।

11. Fuse and Joule’s Law | फ्यूज और जूल का नियम

Fuse एक सुरक्षा उपकरण है जो circuit को excessive current से बचाता है।

जब circuit में बहुत अधिक current प्रवाहित होती है:

High Current

→

High H = I²Rt

→

Fuse Melts

→

Circuit Breaks

इसलिए fuse का कार्य Joule's heating effect पर आधारित है।

12. Incandescent Bulb | विद्युत बल्ब

Incandescent bulb में पतला tungsten filament बहुत अधिक तापमान तक गर्म होता है। इससे वह प्रकाश उत्सर्जित करता है।

• Tungsten का melting point बहुत अधिक है।
• Filament का resistance पर्याप्त होता है।
• Bulb में सामान्यतः inert gas या vacuum जैसी व्यवस्था होती है।

13. Electrical Energy and Commercial Unit

E = Pt

Electrical energy की SI unit Joule है।

Commercial electrical energy के लिए kilowatt-hour (kWh) का उपयोग किया जाता है।

1 kWh = 3.6 × 10⁶ J

1 kWh = 1 Unit of electricity

14. Solved Numericals | हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न

Numerical 1:

A current of 2 A flows through a resistance of 5 Ω for 10 s. Find the heat produced.

H = I²Rt

= (2)² × 5 × 10

= 4 × 5 × 10

H = 200 J

Numerical 2:

A heater has resistance 20 Ω and carries a current of 3 A for 60 s. Find the heat produced.

H = I²Rt

= 3² × 20 × 60

= 9 × 20 × 60

H = 10,800 J

Numerical 3:

A 1000 W heater works for 5 minutes. Find the electrical energy consumed.

E = Pt

P = 1000 W
t = 5 × 60 = 300 s

E = 1000 × 300

E = 300,000 J = 3 × 10⁵ J

Numerical 4:

A resistor of 10 Ω is connected to a 20 V supply for 5 s. Find the heat produced.

H = V²t/R

= (20)² × 5 / 10

= 400 × 5 / 10

H = 200 J

Numerical 5:

If the current through a resistor is doubled, how does the heat produced change, provided resistance and time remain constant?

H ∝ I²

New current = 2I
H' = (2I)²Rt
H' = 4I²Rt

H' = 4H

Heat becomes four times.

Numerical 6:

A 2 kW heater is used for 3 hours. Find the electrical energy consumed in kWh.

E = P × t

= 2 kW × 3 h

E = 6 kWh = 6 units

15. Important Comparison

Condition	Relationship of Heat
Current constant	H ∝ R
Resistance constant	H ∝ I²
Time constant	H ∝ I²R
Voltage constant	H ∝ 1/R
Power constant	H = Pt

16. 30 MCQs | बहुविकल्पीय प्रश्न

1. Joule's law of heating is represented by:

(A) H = I²Rt

(B) H = IR/t

(C) H = V/R

(D) H = It/R

✔ Answer: A — H = I²Rt

2. SI unit of heat energy is:

(A) Watt

(B) Joule

(C) Volt

(D) Ohm

✔ Answer: B — Joule

3. If current is doubled, heat produced becomes:

(A) Two times

(B) Three times

(C) Four times

(D) Half

✔ Answer: C — Four times

4. The heat produced in a resistor is directly proportional to:

(A) Resistance, when current is constant

(B) 1/Resistance, always

(C) Voltage only

(D) Frequency

✔ Answer: A

5. Which material is commonly used as a heating element?

(A) Copper

(B) Aluminium

(C) Nichrome

(D) Silver

✔ Answer: C — Nichrome

6. Fuse works mainly on:

(A) Heating effect of current

(B) Chemical effect

(C) Magnetic effect only

(D) Refraction

✔ Answer: A

7. The formula H = VIt is obtained from:

(A) P = V/I

(B) P = VI

(C) R = V + I

(D) I = VR

✔ Answer: B

8. Commercial unit of electrical energy is:

(A) Joule

(B) Watt

(C) Kilowatt-hour

(D) Volt

✔ Answer: C

9. 1 kWh is equal to:

(A) 3.6 × 10⁶ J

(B) 3.6 × 10³ J

(C) 360 J

(D) 36 J

✔ Answer: A

10. Electric power can be written as:

(A) P = I/R

(B) P = VI

(C) P = V + I

(D) P = R/I

✔ Answer: B

11. Which formula is correct for heat when V, R and t are known?

(A) H = V²t/R

(B) H = VRt

(C) H = R²Vt

(D) H = V/Rt

✔ Answer: A

12. Tungsten is used in bulb filaments mainly because it has:

(A) Very low melting point

(B) High melting point

(C) Zero resistance

(D) No thermal effect

✔ Answer: B

13. If time of current flow is doubled, heat becomes:

(A) Half

(B) Four times

(C) Two times

(D) One-fourth

✔ Answer: C

14. Which quantity is measured in watt?

(A) Power

(B) Charge

(C) Resistance

(D) Heat

✔ Answer: A

15. At constant voltage, heat produced in a resistor is proportional to:

(A) R

(B) R²

(C) 1/R

(D) R/t

✔ Answer: C

16. Electrical energy is given by:

(A) E = Pt

(B) E = P/t

(C) E = P + t

(D) E = t/P

✔ Answer: A

17. Which device uses heating effect intentionally?

(A) Electric iron

(B) Compass

(C) Ammeter

(D) Voltmeter

✔ Answer: A

18. In H = I²Rt, if R becomes three times while I and t remain constant, H becomes:

(A) One-third

(B) Three times

(C) Six times

(D) Nine times

✔ Answer: B

19. Which is a correct unit of resistivity?

(A) Ω m

(B) Ω/m

(C) V/A²

(D) A/V

✔ Answer: A

20. A fuse wire should have a relatively:

(A) High melting point

(B) Low melting point

(C) Zero resistance

(D) Infinite resistance

✔ Answer: B

21. Which expression represents power in terms of current and resistance?

(A) P = IR

(B) P = I²R

(C) P = I/R

(D) P = R/I²

✔ Answer: B

22. Heat is a form of:

(A) Energy

(B) Resistance

(C) Current

(D) Charge

✔ Answer: A

23. If current becomes half, heat produced becomes:

(A) Half

(B) Double

(C) One-fourth

(D) Four times

✔ Answer: C

24. The heating effect of current is mainly due to:

(A) Electron collisions with lattice particles

(B) Reflection of light

(C) Refraction

(D) Sound waves

✔ Answer: A

25. Which relation is correct?

(A) H = I²Rt

(B) H = I/Rt

(C) H = IR/t

(D) H = Rt/I²

✔ Answer: A

26. If a 2 kW appliance works for 2 hours, energy consumed is:

(A) 1 kWh

(B) 2 kWh

(C) 4 kWh

(D) 8 kWh

✔ Answer: C

27. Which one is NOT an application of heating effect?

(A) Electric heater

(B) Electric iron

(C) Fuse

(D) Electric bell's magnetic action

✔ Answer: D

28. If voltage is doubled while resistance and time remain constant, heat becomes:

(A) Four times

(B) Two times

(C) Half

(D) One-fourth

✔ Answer: A

29. The commercial unit “1 unit” is:

(A) 1 J

(B) 1 W

(C) 1 kWh

(D) 1 V

✔ Answer: C

30. Joule heating is useful in:

(A) Heating appliances

(B) Only optical instruments

(C) Only microphones

(D) Only magnets

✔ Answer: A

17. 30 Subjective Questions | वर्णनात्मक प्रश्न

2 Marks Q1. Joule's law of heating लिखिए।

H = I²Rt, जहाँ H heat, I current, R resistance और t time है।

2 Marks Q2. Heat produced की SI unit क्या है?

Joule (J).

2 Marks Q3. Heating element के लिए Nichrome क्यों प्रयोग किया जाता है?

इसकी resistivity अधिक होती है, यह high temperature सहता है और अपेक्षाकृत कम oxidise होता है।

2 Marks Q4. Fuse किस principle पर काम करता है?

Fuse, electric current के heating effect अर्थात् Joule's law पर आधारित है।

2 Marks Q5. 1 kWh को Joule में लिखिए।

1 kWh = 3.6 × 10⁶ J.

3 Marks Q6. Joule's law की व्युत्पत्ति कीजिए।

P = VI
E = Pt
H = VIt
V = IR
अतः H = I²Rt.

3 Marks Q7. Current को दोगुना करने पर heat चार गुनी क्यों होती है?

H ∝ I². इसलिए I को 2I करने पर H' = (2I)²Rt = 4H.

3 Marks Q8. Heating effect के तीन applications लिखिए।

Electric heater, electric iron और electric fuse.

3 Marks Q9. Electric power और Joule heating में संबंध बताइए।

P = VI = I²R तथा H = Pt, इसलिए H = I²Rt.

3 Marks Q10. Tungsten filament का उपयोग क्यों किया जाता है?

Tungsten का melting point बहुत अधिक है और वह उच्च तापमान पर गर्म होकर प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है।

4 Marks Q11. H = I²Rt, H = VIt तथा H = V²t/R प्राप्त कीजिए।

पहले H = VIt. V = IR रखने पर H = I²Rt. I = V/R रखने पर H = V²t/R.

4 Marks Q12. Current, resistance और time का heating effect पर प्रभाव समझाइए।

Constant R और t पर H ∝ I²; constant I और t पर H ∝ R; constant I और R पर H ∝ t.

4 Marks Q13. Fuse कैसे circuit की सुरक्षा करता है?

Excess current से H = I²Rt बहुत बढ़ती है। Fuse wire गर्म होकर melt हो जाता है और circuit को break कर देता है।

4 Marks Q14. Constant voltage पर resistance बढ़ाने से heat पर क्या प्रभाव पड़ेगा?

H = V²t/R. अतः constant V और t पर resistance बढ़ाने से heat घटती है।

4 Marks Q15. Heating element और connecting wire में अंतर बताइए।

Heating element की resistivity अधिक और resistance पर्याप्त होता है, जबकि connecting wires के लिए copper जैसे low-resistivity materials प्रयोग किए जाते हैं ताकि unwanted heating कम हो।

5 Marks Q16. Joule's law का detailed derivation लिखिए।

P = VI
E = Pt
H = VIt
Ohm's law: V = IR
H = I²Rt

और I = V/R रखने पर:
H = V²t/R.

5 Marks Q17. Heating effect के विभिन्न practical applications समझाइए।

Heater, iron, geyser, toaster, kettle, room heater, incandescent bulb और fuse heating effect के प्रमुख applications हैं।

5 Marks Q18. Nichrome heating elements के लिए उपयुक्त क्यों है?

High resistivity, high temperature tolerance, high melting point और oxidation resistance के कारण Nichrome उपयुक्त है।

5 Marks Q19. Electric power और electrical energy को समझाइए।

Power = energy consumed per unit time.
P = VI = I²R = V²/R.
Energy E = Pt.
SI unit Joule और commercial unit kWh है।

5 Marks Q20. Fuse के working principle को Joule's law से समझाइए।

High current होने पर H = I²Rt के कारण fuse wire तेजी से गर्म होता है। उसका melting point कम होने के कारण वह melt होकर circuit को open कर देता है।

6 Marks Q21. Joule's law की सहायता से heating effect का complete explanation दीजिए।

विद्युत ऊर्जा resistance में heat में बदलती है। P = VI और E = Pt से H = VIt प्राप्त होता है। Ohm's law लगाने पर H = I²Rt तथा H = V²t/R मिलता है। Heat current के square, resistance तथा time पर निर्भर करती है।

6 Marks Q22. Heating appliances में high resistance wire क्यों प्रयोग की जाती है?

Constant current की स्थिति में H ∝ R होता है। इसलिए पर्याप्त resistance वाला heating element अधिक heat उत्पन्न करने में सहायता करता है। Nichrome का उपयोग इसी कारण किया जाता है।

6 Marks Q23. एक heater 5 A current और 20 Ω resistance पर 10 मिनट चलता है। Heat निकालिए।

H = I²Rt
= 5² × 20 × 600
= 25 × 20 × 600
H = 300000 J = 3 × 10⁵ J

6 Marks Q24. 220 V पर चलने वाले 1100 W heater का current ज्ञात कीजिए।

P = VI
I = P/V
= 1100/220
I = 5 A

6 Marks Q25. 1000 W heater 2 घंटे प्रतिदिन 30 दिनों तक चलता है। कुल energy कितनी होगी?

P = 1 kW
Daily energy = 1 × 2 = 2 kWh
30 days = 2 × 30
Total = 60 kWh = 60 units

6 Marks Q26. Constant voltage पर दो resistors में heating की तुलना कैसे करेंगे?

H = V²t/R. इसलिए समान V और t पर कम resistance वाला resistor अधिक heat produce करेगा।

6 Marks Q27. Heating effect के लाभ और हानियाँ लिखिए।

लाभ: heater, iron, geyser, toaster, fuse आदि।
हानि: unwanted heating से energy loss, wires का temperature बढ़ना और electrical components को damage होना।

6 Marks Q28. 10 Ω resistor में 2 A current 5 मिनट तक प्रवाहित होती है। Heat निकालिए।

H = I²Rt
= 2² × 10 × 300
= 4 × 10 × 300
H = 12000 J

6 Marks Q29. Explain why electrical appliances have power ratings.

Power rating बताती है कि appliance rated voltage पर प्रति second कितनी electrical energy consume करता है। P = E/t. इससे energy consumption और operating requirement समझने में सहायता मिलती है।

6 Marks Q30. Joule heating, electrical power और electrical energy के बीच संबंध स्थापित कीजिए।

P = VI
E = Pt
H = E जब energy heat में बदलती है।
अतः H = VIt = I²Rt = V²t/R.

18. Assertion–Reason

Q1.
Assertion (A): Heat produced is proportional to square of current.
Reason (R): H = I²Rt.

Answer: Both A and R are true, and R correctly explains A.

Q2.
Assertion (A): Fuse protects electrical circuits.
Reason (R): Fuse wire melts when excessive current produces sufficient heat.

Answer: Both A and R are true, and R correctly explains A.

Q3.
Assertion (A): At constant voltage, heat increases with resistance.
Reason (R): H = V²t/R.

Answer: Assertion is false, Reason is true.

Q4.
Assertion (A): Nichrome is suitable for heating elements.
Reason (R): Nichrome has relatively high resistivity and can withstand high temperature.

Answer: Both A and R are true, and R correctly explains A.

Q5.
Assertion (A): 1 kWh is equal to 1000 J.
Reason (R): 1 kW = 1000 W.

Answer: Assertion is false, Reason is true.

19. HOTS / Application Based Questions

HOTS 1: दो resistors समान current carry करते हैं। एक का resistance 2 Ω और दूसरे का 6 Ω है। किसमें अधिक heat उत्पन्न होगी?

Constant current पर H ∝ R. इसलिए 6 Ω resistor में अधिक heat उत्पन्न होगी।

HOTS 2: एक appliance का voltage constant है। Resistance को आधा करने पर heat production पर क्या प्रभाव होगा?

H = V²t/R. Resistance आधा होने पर heat दो गुनी होगी।

HOTS 3: एक circuit में current अचानक बढ़ जाती है। Fuse क्यों melt हो सकता है?

क्योंकि H ∝ I². Current में थोड़ी बड़ी वृद्धि भी heating को बहुत बढ़ा सकती है।

HOTS 4: Connecting wires copper की और heating element Nichrome की क्यों होती है?

Copper की resistivity कम होती है इसलिए unwanted heating कम होती है। Nichrome की resistivity अधिक होती है इसलिए heating element में heat production अधिक उपयोगी होती है।

HOTS 5: यदि current 3 गुनी हो जाए तो resistance और time समान रहते हुए heat कितनी गुनी होगी?

H ∝ I²
H' = (3I)²Rt = 9H.
Heat 9 गुनी होगी।

20. Diagram Labelling Practice

Battery → Current → Resistance/Heating Element → Heat

21. CBSE Golden Points

• Joule's law: H = I²Rt
• H = VIt
• H = V²t/R
• Heat की SI unit Joule है।
• H ∝ I² जब R और t constant हों।
• H ∝ R जब I और t constant हों।
• H ∝ t जब I और R constant हों।
• Constant voltage पर H ∝ 1/R.
• Fuse heating effect पर आधारित है।
• Nichrome heating elements में commonly used है।
• Tungsten incandescent bulb filament में प्रयोग होता है।
• 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J.
• 1 kWh = 1 commercial unit.
• P = VI = I²R = V²/R.
• E = Pt.

22. Memory Tricks | याद रखने की ट्रिक

🔥 “I-R-t = Heat”

H = I²Rt

I = Current
R = Resistance
t = Time

⚡ Power Trick

P = VI = I²R = V²/R

🔥 Heating Element Trick

Nichrome = High Resistance + High Temperature

🛡 Fuse Trick

Excess Current → More Heat → Fuse Melts → Circuit Breaks

23. One-Minute Revision

H = I²Rt

H = VIt

H = V²t/R

P = VI

P = I²R

P = V²/R

E = Pt

1 kWh = 3.6×10⁶ J

Core idea: Electrical energy is converted into heat when current flows through resistance.

Most important formula: H = I²Rt

24. Concept Map

Electric Current

→

Resistance

→

Electrical Energy

→

Heat

H = I²Rt

→

Heater

→

Iron

→

Fuse

25. Final Summary | अंतिम सारांश

⚡ Joule's Law of Heating

जब किसी प्रतिरोधक में विद्युत धारा प्रवाहित होती है तो electrical energy का एक भाग heat में बदलता है।

H = I²Rt

इससे स्पष्ट है कि heat:

• Current के square के proportional है।
• Constant current पर resistance के proportional है।
• Time के proportional है।

Joule heating का उपयोग heaters, irons, geysers, toasters, kettles और fuses आदि में किया जाता है।

Remember:

Electrical Energy → Heat Energy

⭐ Exam Booster:

यदि numerical में I, R और t दिए हों → H = I²Rt
यदि V, I और t दिए हों → H = VIt
यदि V, R और t दिए हों → H = V²t/R

सबसे महत्वपूर्ण: Current double ⇒ Heat four times.