Ok, esto me ha molestado algunas veces, así que trataría de responderlo. En cierto sentido, es algo para mí aprender 🙂 Los comentarios son muy esperados.
Comenzamos con una ecuación eléctrica bien conocida:
P = V * I
( P es energía eléctrica; V es voltaje; I es corriente eléctrica )
Al estudiar la ecuación, sabemos que podemos variar la misma cantidad de energía eléctrica (por ejemplo, la misma cantidad de recursos) a diferentes combinaciones de voltaje y corriente eléctrica. La pregunta es por qué queremos hacer eso, o cuál da el mejor resultado. Podemos imaginar el voltaje como la “presión” y la corriente como la “cantidad de agua”, pero queremos tener una mejor comprensión que eso. Si entendemos cómo podríamos llegar a esa ecuación, tendríamos una mejor comprensión de ese fenómeno de la electricidad, por lo que podríamos responder la pregunta con una explicación más clara. Esto es exactamente lo que vamos a hacer.
Si tenemos dos partículas cargadas, esas dos partículas ejercerían fuerza entre ellas. Digamos que una carga es q1 y la otra carga q2, y suponiendo que su distancia sea fija. La fuerza eléctrica (F) entre ellos es proporcional a la cantidad de carga de cada partícula, por lo que podemos escribir esta relación de la siguiente manera:
F = q1 * q2 * C
Donde C es una constante de proporcionalidad para relacionar la medición entre la carga (por ejemplo, en Coulomb), la fuerza (por ejemplo, en Newton) y la distancia entre ellas (por ejemplo, en el medidor). El voltaje (V) se define como el trabajo (W) realizado para mover una carga de un extremo al otro extremo del cable. Usando Newtonian podríamos calcular el trabajo realizado para la partícula q1 (o q2 si lo desea) de la siguiente manera:
W = F * ds = q1 * q2 * C * ds
Que podría escribirse como:
W = q1 * V, donde V = q2 * C * ds
El trabajo realizado por segundo es lo que llamamos energía eléctrica (P), por lo que podemos escribir energía eléctrica como:
P = dW / dt = q1 * V / dt
Pero q1 / dt (o dq / dt) es cuántas partículas cargadas fluyen por segundo, que es exactamente lo que llamamos corriente eléctrica (I). Entonces obtenemos nuestra ecuación de electricidad:
P = V * I
Ahora sabemos cómo podríamos llegar a esa ecuación. Vamos a usarlo en la situación más simple, que es una corriente eléctrica que fluye por el cable. Pero no solo fluyen libremente, sino que se topan con otros átomos del cable. Algunas de las partículas cargadas pasan a través de ellas, otras se reflejan, otras se ralentizan y así sucesivamente, pero se las arreglan para llegar al final del cable. Cuando chocan, transfieren la energía a esos átomos de alambre, por lo que esos átomos aumentan la velocidad, donde percibimos como calor. Este calor es, por supuesto, la pérdida de nuestra energía eléctrica. Por la conservación de la energía, sabemos que la energía total de las partículas cargadas que llegan al final del cable y la energía que se transfiere a los átomos del cable como calor, sería la misma. Vamos a denotar el poder de las partículas cargadas que logran llegar al otro extremo del cable como Peffective y el poder que se transfiere a los átomos en el cable como Ploss, por lo que podemos escribirlo como:
P = Ploss + Peffective
¿Por qué alto voltaje, por qué bajo voltaje? Como ya sabemos que la variación en el voltaje variaría la cantidad de partículas cargadas (o corriente eléctrica) que tienen que atravesar el cable. Estas partículas cargadas golpean átomos de alambre que no es difícil imaginar que la cantidad de partículas cargadas determinaría, por supuesto, cuántos átomos de alambre golpearían las partículas cargadas. Entonces, la corriente eléctrica afectará la cantidad de energía que perdemos como calor (Ploss) y la energía efectiva que obtenemos como energía eléctrica (Peffective).
Si quemamos cierto litro / segundo de gasolina en un generador de electricidad, obtendríamos cierta cantidad de energía eléctrica / segundo, y no hay forma de que podamos obtener más energía / segundo sin agregar más gasolina quemada por segundo. La energía generada en la fuente, sería la energía máxima recibida en el otro extremo. No hay forma de que podamos hacer algún “truco” de manera que podamos obtener energía adicional en el otro extremo, sin agregar más fuente de energía (o mejorar la eficiencia del generador).
Por supuesto, nuestro interés es obtener la mayor cantidad de energía eléctrica posible. Entonces podemos cambiar la pregunta de “por qué alto voltaje, por qué bajo voltaje” a “cuál es más eficiente para suministrar energía eléctrica”. Nos gustaría responder a esta pregunta estableciendo la cantidad de energía fija porque pagamos cuánta energía usamos, y es, por supuesto, lo que queremos maximizar su uso minimizando su pérdida.
Entonces, ¿cuánto es la pérdida de energía (Ploss) incurrida por cierto voltaje en el generador de electricidad? Esta pérdida de energía es la energía que las partículas cargadas transfieren a los átomos en el cable cuando chocan contra ellas. Es posible que el choque no ocurra en línea recta, pero queremos omitir la derivación compleja de la mecánica estadística simplemente asumiendo que la energía transferida debe ser proporcional a la energía transportada por las partículas cargadas. ( Tenga en cuenta que solo decimos “EN PROPORCIONAL”, ¡no significa que Ploss sea igual con P! ) Por lo tanto, la velocidad captada por los átomos en el alambre, sin importar qué, es proporcional a la velocidad de las partículas cargadas. Entonces podemos escribir la ecuación para Ploss igual que la ecuación para P de la siguiente manera:
Ploss = qloss / dt * V = Iloss * V = Iloss * (I * R)
R es la resistencia en el cable, por lo que está fija ( esta resistencia tiene que ver con la estructura de los átomos del cable con el que chocan nuestras partículas cargadas, por lo tanto, cada material tiene una R diferente ). Iloss es proporcional a I, por lo que cuanto mayor sea I, mayor será Iloss. Al estudiar solo la ecuación, sabemos que para aprovechar al máximo la energía eléctrica generada, tenemos que obtener menos corriente (I).
¡Pero queremos tener una mejor comprensión que eso! Entonces, la última pregunta es: ¿cómo podría suceder eso? Recuerde que la energía de la energía eléctrica (energía) que fluye por el cable se deriva de la fuerza ejercida por dos partículas cargadas. Entonces, al igual que P, podemos escribir Ploss de la siguiente manera:
Ploss = qloss / dt * q2 * C * ds
Entonces, cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la fuerza ejercida sobre las partículas cargadas. ¡Una mayor fuerza movería la partícula cargada con mayor aceleración, y esta es la clave de la explicación que estamos buscando! Al tener un voltaje mayor, pero con la misma cantidad de energía eléctrica, la partícula cargada recogería MÁS VELOCIDAD porque tiene que transportar la misma cantidad de energía CON un menor número de ellas. Menos cantidad de partículas cargadas obtendría MENOS BOMBARDEO con átomos en el cable, por lo tanto , pierde menos energía .