तार की मोटाई प्रतिरोध को क्यों प्रभावित करती है?


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एक शिक्षक ने समझाया कि क्यों एक राजमार्ग सादृश्य का उपयोग करके। आपके पास जितनी अधिक गलियाँ होती हैं, उतनी तेज़ी से कारें गुजरती हैं, जहाँ गलियों की संख्या स्पष्ट रूप से तार की मोटाई का प्रतिनिधित्व करती है और कारें इलेक्ट्रॉनों का प्रतिनिधित्व करती हैं। काफी आसान।

लेकिन एक निश्चित बिंदु के बाद तार इतना मोटा नहीं होना चाहिए, कि उसके बाद कोई भी मोटाई प्रतिरोध को प्रभावित न करे? उदाहरण के लिए, यदि आपके पास 100 कारें एक राजमार्ग से नीचे जा रही हैं, तो एक 4 लेन राजमार्ग कारों को 1 लेन की तुलना में बहुत तेज़ी से आगे बढ़ने की अनुमति देने वाला है, क्योंकि प्रति लेन में बहुत कम कारें हैं। लेकिन एक 1000 लेन का राजमार्ग राजमार्ग 10000 लेन वाले के रूप में कुशल होने वाला है, क्योंकि दोनों राजमार्गों पर हर कार की अपनी लेन है। 100 लेन के बाद, लेन की संख्या प्रतिरोध प्रदान नहीं करती है।

तो क्यों बढ़ती तार मोटाई हमेशा प्रतिरोध को कम करती है?


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100 कारों के साथ 100 लेन वाले राजमार्ग के बारे में न सोचें, 100 कारों के साथ 10000 लेन के राजमार्ग के बजाय, इसे ट्रिलियन कारों के साथ एक 100 लेन के राजमार्ग के रूप में सोचें। एक ट्रिलियन कारों के साथ 10000 लेन के राजमार्ग के साथ (या जो भी बहुत बड़े हैं कारों की संख्या आप चाहते हैं)।
— helloworld922

@ helloworld922 लेकिन मेरी बात अभी भी लागू होती है। 10 ट्रिलियन लेन पर चलने वाली ट्रिलियन कारें 100 ट्रिलियन लेन पर चलने वाली ट्रिलियन कारों की तरह तेज हैं।
— user27379

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@ user27379 लेकिन गलियों की तुलना में हमेशा अधिक कारें होती हैं।
— बेनामी पेंगुइन

एक विशेषज्ञ नहीं, लेकिन अगर तार पर्याप्त मोटी है, तो क्या यह एक रोकनेवाला की तुलना में संधारित्र की तरह व्यवहार करना शुरू नहीं करेगा?
— एलिस्टेयर बक्सटन

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इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए यात्रा करने के लिए एक मोटे तार पर अधिक सतह क्षेत्र होता है, जिसका अर्थ है कि आपके पास पतले तार की तुलना में मोटी तार के माध्यम से यात्रा करने वाले अधिक इलेक्ट्रॉन होंगे।
— चार्ल्स एडिस

जवाबों:


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कार सादृश्य ऐसा अच्छा नहीं है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों वास्तव में तार के एक छोर से दूसरे तक नहीं जाते हैं (अच्छी तरह से वे करते हैं लेकिन बहुत धीरे-धीरे) और इसका मतलब है कि कारों के बीच कुछ जगह है, जबकि यह होगा राजमार्ग की चौड़ाई जो भी हो ट्रैफिक जाम की तरह।
यह बिलियार्ड बॉल्स की एक पंक्ति की तरह अधिक है, और बल पहले एक पर लागू होता है, और ऊर्जा को सभी मध्यवर्ती गेंदों के माध्यम से पिछले एक में स्थानांतरित किया जाता है (न्यूटंस क्रैडल की तरह थोड़ा, हालांकि गेंद वास्तव में एक दूसरे में नहीं उछालते हैं )। मुक्त इलेक्ट्रॉनों के चारों ओर उछाल, कभी-कभी संभावित अंतर के साथ प्रतिबाधा (नीचे देखें) होने से वर्तमान की दिशा में एक औसत झुकाव होता है।

एक पानी सादृश्य बेहतर है - पाइप हमेशा पानी से भरा होता है, और एक ही पंप (बैटरी) के लिए, दबाव (वोल्टेज) हमेशा व्यापक पाइप से कम होता है, जो अधिक प्रवाह और एक कम प्रतिरोध के बराबर होता है।

प्रतिरोधकता पर विकी पृष्ठ का यह उद्धरण यथोचित व्याख्या करता है:

धातुओं में - एक धातु में परमाणुओं की एक जाली होती है, प्रत्येक में इलेक्ट्रॉनों के बाहरी आवरण होते हैं जो स्वतंत्र रूप से अपने मूल परमाणुओं से अलग हो जाते हैं और जाली के माध्यम से यात्रा करते हैं। यह एक सकारात्मक आयनिक जाली के रूप में भी जाना जाता है। 4
यह 'डिफरेंशियल इलेक्ट्रॉनों के' समुद्र में धातु को विद्युत प्रवाह संचालित करने की अनुमति देता है। जब धातु में एक विद्युत संभावित अंतर (एक वोल्टेज) लागू किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत क्षेत्र कंडक्टर के एक छोर से दूसरे तक स्थानांतरित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों का कारण बनता है।
कमरे के तापमान के पास, धातुओं में प्रतिरोध होता है। इस प्रतिरोध का प्राथमिक कारण आयनों की उष्मीय गति है। यह इलेक्ट्रॉनों को तितर बितर करने का कार्य करता है (आयनों की गैर-सहसंबद्ध क्षमता पर मुक्त इलेक्ट्रॉन तरंगों के विनाशकारी हस्तक्षेप के कारण) [उद्धरण वांछित]। इसके अलावा, अशुद्धियों के साथ धातुओं में प्रतिरोध के लिए योगदान जाली में परिणामी खामियां हैं। शुद्ध धातुओं में यह स्रोत नगण्य है [उद्धरण वांछित]।
कंडक्टर का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र जितना बड़ा होता है, वर्तमान को ले जाने के लिए प्रति यूनिट लंबाई में अधिक इलेक्ट्रॉन उपलब्ध होते हैं। परिणामस्वरूप, बड़े क्रॉस-सेक्शन कंडक्टरों में प्रतिरोध कम होता है। किसी सामग्री के माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉन द्वारा बिखरे हुए घटनाओं की संख्या कंडक्टर की लंबाई के लिए आनुपातिक होती है। कंडक्टर जितना लंबा होगा, इसलिए प्रतिरोध उतना अधिक होगा। विभिन्न सामग्रियां प्रतिरोध को भी प्रभावित करती हैं।

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लेकिन यहां तक ​​कि पानी सादृश्य का उपयोग करते हुए, मेरी बात अभी भी बनी हुई है। एक सुरंग के माध्यम से डाला गया पानी का एक बाल्टी समान प्रतिरोध का सामना करेगा चाहे सुरंग का आकार कितना भी हो!
— user27379

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वह बिंदु है - सुरंग में हवा होगी, जबकि तार हमेशा पूरी तरह से "पूर्ण" होता है। यह उसी तरह की है जैसे बाल्टी में पानी सुरंग के व्यास को ढंकने के लिए एक अत्यंत पतली फिल्म बनाता है, अगर आपको कोई बहाव मिलता है।
— ओली ग्लेसर

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आप तार के एक छोर तक सिर्फ "इलेक्ट्रान नहीं डालें" - वे पहले से ही वहां मौजूद हैं।
— ओली ग्लेसर

क्षमा करें, वास्तव में एक अच्छा सादृश्य खोजना कठिन है - इन सभी में उनकी गलतियाँ हैं। मैंने प्रतिरोध पर विकी पृष्ठ पर एक उद्धरण और एक लिंक जोड़ा, यदि आप इसे ध्यान से पढ़ते हैं तो आपको भौतिकी का अच्छा विचार प्राप्त करना चाहिए। जिसके बारे में बोलते हुए, अन्य भौतिकी साइटों और भौतिकी स्टैक अनुसंधान / पूछने के लिए अच्छी जगहें होंगी।
— ओली ग्लेसर

मुझे नहीं पता कि यह मामला है या नहीं, लेकिन एसी के साथ "त्वचा प्रभाव" भी केबल के प्रभावी क्रॉस-सेक्शन को कम करता है।
— ジ キ

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मैं कोशिश करने के लिए थोड़ा अलग तरीके से आपके प्रश्न पर संपर्क करने जा रहा हूं और आपको थोड़ा और अधिक सहज ज्ञान देता हूं कि प्रतिरोध क्यों कम हो रहा है।

आइए पहले एक साधारण सर्किट के समकक्ष प्रतिरोध पर विचार करें:


(स्रोत: Electronics.dit.ie )

1आरटीओटीएएल=1आर1+1आर2+1आर3।।।1आरn

आप इस समीकरण को एक पाठ्यपुस्तक में देख सकते हैं, लेकिन आप सोच रहे होंगे "लेकिन आपने अधिक प्रतिरोधों को जोड़ा है! प्रतिरोध कैसे कम हो सकता है?"।

यह समझने के लिए कि चलो, विद्युत चालन को देखें। आचरण प्रतिरोध का विलोम है। यही है, एक सामग्री जितनी कम प्रतिरोधक होती है, उतनी ही प्रवाहकीय होती है। चालकता को रूप में परिभाषित किया गया हैजी=1आरजीआर

अब यह हिस्सा दिलचस्प है, देखो कि क्या होता है जब हम समानांतर सर्किट प्रतिरोध समीकरण में चालन का उपयोग करते हैं।

सीओnघयूसीटीएnसीइ=जीटीओटीएएल=जी1+जी2+जी3।।जीn=1आरटीओटीएएल=1आर1+1आर2+1आर3।।।1आरn

हम यहां देखते हैं कि समानांतर में अधिक प्रतिरोधों को जोड़ने पर चालन बढ़ता है, और प्रतिरोध घटता है! प्रत्येक रोकनेवाला वर्तमान की एक निश्चित मात्रा का संचालन करने में सक्षम है। जब आप समानांतर में एक रोकनेवाला जोड़ते हैं, तो आप एक अतिरिक्त पथ जोड़ रहे हैं जिसके माध्यम से करंट प्रवाहित हो सकता है, और प्रत्येक रोकनेवाला एक निश्चित मात्रा में चालकता में योगदान देता है।

जब आपके पास एक मोटा तार होता है, तो यह प्रभावी रूप से इस समानांतर सर्किट की तरह काम करता है। कल्पना कीजिए कि आपके पास तार का एक अकेला किनारा है। इसका एक निश्चित चालन और एक निश्चित प्रतिरोध है। अब कल्पना कीजिए कि आपके पास एक तार है जो 20 व्यक्तिगत तार से बना है, और प्रत्येक किनारा आपके पिछले एकल स्ट्रैंड जितना मोटा है।

यदि प्रत्येक स्ट्रैंड में एक निश्चित चालकता है, तो 20 स्ट्रैंड वाले तार होने का मतलब है कि आपका चालन केवल 1 स्ट्रैंड वाले तार से 20 गुना बड़ा है। मैं स्ट्रैंड्स का उपयोग कर रहा हूं क्योंकि यह आपको यह देखने में मदद करता है कि एक मोटा तार कई छोटे तारों के समान है। चूंकि चालन बढ़ता है, इसका मतलब है कि प्रतिरोध कम हो जाता है (चूंकि यह चालन का व्युत्क्रम है)।


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राजमार्ग सादृश्य को भूल जाओ। एक तार का प्रतिरोध 3 मापदंडों पर निर्भर करता है: उस सामग्री की चालकता जिसमें से तार बनाया जाता है, इसका पार अनुभागीय क्षेत्र, और इसकी लंबाई। तांबे और चांदी जैसे अत्यधिक प्रवाहकीय सामग्री का उपयोग कम प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए तार के निर्माण के लिए किया जाता है। एक तार जितना लंबा होता है उतना ही अधिक प्रतिरोध होता है क्योंकि लंबे मार्ग के कारण इलेक्ट्रॉनों को एक छोर से दूसरे छोर तक जाने के लिए प्रवाह करना पड़ता है। क्रॉस सेक्शनल क्षेत्र जितना बड़ा होता है, इलेक्ट्रॉनों के प्रतिरोध का प्रवाह उतना ही कम होता है। यह इस बात को लागू करता रहेगा कि तार कितना भी मोटा क्यों न हो। इलेक्ट्रॉन प्रवाह अपने आप को समायोजित करेगा जो भी तार की मोटाई है।


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हालांकि इसका जवाब नहीं है "हालांकि इलेक्ट्रॉन प्रवाह एक निश्चित बिंदु से परे तार मोटाई में समायोजित क्यों होता है"।
— us2012

आपने इस प्रश्न का उत्तर नहीं दिया, आपने अभी जो कुछ मुझे पहले से ही पता है, उसकी पुष्टि की! इलेक्ट्रॉन खुद को क्यों समायोजित करते हैं?
— user27379

मुझे यकीन है कि बैरी जानता है, लेकिन दूसरों के लिए, कृपया ध्यान दें कि "सामग्री की चालकता" खुद कई कारकों (तापमान, शुद्धता, दबाव, आदि ...) पर निर्भर है ...
— DrFriedParts

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विद्युत एक सामग्री के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के अलावा कुछ भी नहीं है। एक तरह से, यह पहले से ही पानी से भरे एक बगीचे की नली की तरह है ।जब नल पर पानी (दबाव लागू) किया जाता है, तो दबाव किसी विशेष पानी के अणु की तुलना में बहुत तेजी से नली से गुजरता है, और पानी लगभग तुरंत अंत तक बहने लगता है। जब आप इलेक्ट्रोमोटिव बल का एक सा लागू करते हैं तो एक तार इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है। एक वोल्टेज लागू करें, और आपको तार को पार करने के लिए पहले इलेक्ट्रॉनों की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं है, वे लगभग तुरंत तुरंत दूर तक चलना शुरू करते हैं।

अब तार के एक क्रॉस सेक्शन के बारे में सोचें। । । तार के चारों ओर एक रेखा खींचने की कल्पना करें, तार की धुरी के लंबवत। अब इस रेखा से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या की गणना करें, उस सर्कल के माध्यम से जो तार का क्रॉस सेक्शन है। यह वर्तमान है, amps में मापा जाता है। ऐसे कुछ तरीके हैं जिनसे आप समान कर सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों के बहुत से धीरे-धीरे बह रहा है, या कम इलेक्ट्रॉनों को उसी संख्या को पार करने के लिए प्रति सेकंड आपके क्रॉस सेक्शन से गुजर रहा है, और इसलिए समान वर्तमान।

आप तेजी से आगे बढ़ने के लिए उन्हें कैसे मनाते हैं? अधिक इलेक्ट्रोमोटिव बल लागू करें। तो आधे व्यास वाले एक तार में, आपके पास एक-चौथाई क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र होगा, जिसका अर्थ है कि किसी भी लम्बाई के तार में उपलब्ध इलेक्ट्रॉनों की संख्या का एक चौथाई आपकी लाइन प्रति सेकंड से गुजरना। क्या करने के लिए उपलब्ध वर्तमान इलेक्ट्रॉनों के साथ कि ऊपर ले जाने के लिए क्या करना है? आपको उन्हें तेजी से आगे बढ़ाना होगा ताकि एक ही संख्या एक उच्च वोल्टेज लागू करके प्रति सेकंड से गुजर सके।

वहां आपके पास यह है: एक पतले तार को समान विद्युत प्रवाह की आवश्यकता होती है। प्रतिरोध की परिभाषा बहुत सुंदर है, क्योंकि V/I = R।


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क्या आप जानते हैं कि कार सादृश्य ठीक काम क्यों नहीं करता है? यहां तक ​​कि अगर हम इस संभावना की अवहेलना करते हैं कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में नहीं चलते हैं, तो आप उनके बारे में फिर से कारों के रूप में बात करेंगे लेकिन सीधी रेखा में नहीं बढ़ेंगे! वे एक यादृच्छिक ज़िग ज़ैग रास्तों में चलते हैं। इसलिए; अधिक लाइनें कम संभावना है कि कारें कभी भी एक ज़िग ज़ैग पथ से टकराएंगी।

तो आप कारों की तरह ही तारों वाली गलियों (लाइनों) में जाने-पहचाने इलेक्ट्रॉनों को ले जाते हैं, जो उस स्थिति में आपकी धारणा को प्रभावित करते हैं कि तार की मोटाई प्रभावित नहीं करेगी। दूसरी ओर, कारों को गैर-सीधी रेखाओं में ले जाने पर विचार करते हुए, आपकी मान्य परिकल्पना आपके निष्कर्ष पर फिट नहीं होगी।


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इस स्पष्टीकरण के साथ अभी भी बहुत सारी समस्याएं हैं: (1) गलियों में ज़िग-ज़ैग पथों में चलती हुई कारें अब राजमार्ग पर "सहज" कारों के लिए सहज नहीं हैं ", (2) अधिकांश भाग के लिए, इलेक्ट्रॉनों धातु के पुर्जे से टकराते हैं (सादृश्य में "सड़क") अन्य इलेक्ट्रॉनों ("कारों") में नहीं है और यह एक व्यापक तार / सड़क के साथ ज्यादा नहीं बदलता है, (3) आपको अभी भी यह समझाना होगा कि "टक्कर की कम संभावना" के परिणामस्वरूप अधिक प्रवाह क्यों होता है (याद रखें टकराव लगभग पूरी तरह से लोचदार हैं)। केवल टकराने वाले इलेक्ट्रॉनों का अर्थ है, अधिक ज़िग-ज़ैगिंग, कम गति नहीं।
— DrFriedParts

मैं अपनी राय के लिए बिंदु द्वारा उत्तर दे रहा हूं। 1) हाँ, तुम सही हो! हम इसे "सामान्य रूप से सड़कों पर चलती कारों" के रूप में बदल सकते हैं। जरूरी नहीं कि राजमार्ग हों। 2) ठीक है, हाँ और नहीं! प्रतिरोध करने के लिए इलेक्ट्रॉन से इलेक्ट्रॉन टकराव भी एक कारण है। यह पथ के किनारों के साथ टकराव के बारे में नहीं है। इसलिए अगर सामान्य रूप से टकराव कम हो गए तो कोई फर्क नहीं पड़ता कि इलेक्ट्रॉनों के साथ क्या टकरा रहा है, सिद्धांत अभी भी ठीक है। 3) हाँ, लेकिन जब आपके पास अधिक टकराव होते हैं तो गर्मी के रूप में अधिक ऊर्जा हानि होती है। ध्यान दें कि आपने "लगभग" पूरी तरह से लोचदार कहा है। - एडल बीबी
— आदिल बीबी

आप अभी भी सही ढंग से समझ नहीं पाते हैं कि यह कैसे काम करता है। आपकी प्रतिक्रिया (2) मूल भौतिकी को समझने में विफल रहती है। इलेक्ट्रॉनों का भौतिक रूप से टकराव नहीं होता (जैसे आरोपों को पीछे हटाना), लेकिन वे स्थैतिक बलों के माध्यम से बातचीत करते हैं। इससे इलेक्ट्रॉन तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं (कण नहीं)। यह इलेक्ट्रॉनों के साथ जाली संरचना (धातु / सड़क) का हस्तक्षेप है जो प्रतिरोध का कारण बनता है।
— DrFriedParts

यह प्रतिरोध मुख्य रूप से दो चीजों के कारण होता है। एक धातु में अशुद्धियाँ हैं, जो जाली की आवधिकता में अनियमितता का कारण बनती हैं। अन्य गर्मी की वजह से जाली की गड़बड़ी या "कंपन" है। चूँकि कुछ ऊष्मा हमेशा मौजूद होती है (पूर्ण शून्य को छोड़कर) इस स्रोत से हमेशा कुछ प्रतिरोध होता है जो इलेक्ट्रॉनों को नौकायन से रोकता है।
— DrFriedParts

आप जवाब देते हैं (3) इसी तरह भ्रमित रहता है। किसी भी एक इलेक्ट्रॉन के लिए टकराने की संभावना समान रहती है (यह सामग्री, पर्यावरण और लागू वोल्टेज का एक कार्य है)। कंडक्टर का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र जितना बड़ा होता है, वर्तमान को ले जाने के लिए प्रति यूनिट लंबाई में अधिक इलेक्ट्रॉन उपलब्ध होते हैं। अपने सादृश्य के संदर्भ में, राजमार्ग हमेशा कारों से भरा होता है। अधिक लेन जोड़ने से अधिक कारें भी जुड़ जाती हैं, इसलिए अधिक कारें प्रति यूनिट समय सड़क से गुजरती हैं, हालांकि गति में बदलाव नहीं हुआ है।
— DrFriedParts

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एक शिक्षक ने समझाया कि क्यों एक राजमार्ग सादृश्य का उपयोग करके। आपके पास जितनी अधिक गलियाँ होती हैं, उतनी तेज़ी से कारें गुजरती हैं, जहाँ गलियों की संख्या स्पष्ट रूप से तार की मोटाई का प्रतिनिधित्व करती है और कारें इलेक्ट्रॉनों का प्रतिनिधित्व करती हैं। काफी आसान।

शिक्षक को क्या कहना चाहिए था:

  • मान लें कि कारें एक स्थिर गति से और एक राजमार्ग लेन पर लगातार रिक्ति के साथ यात्रा करती हैं।
  • एक बिंदु पर जाने वाले वाहनों की राशि लेन की संख्या के अनुपात में होगी।
  • गलियों की संख्या बढ़ने से वाहनों की गति नहीं बढ़ती है। (बिल्कुल सच नहीं है क्योंकि कार लोगों द्वारा संचालित होती है!)

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यह एक बड़ा सवाल है! - राजमार्ग / कार एक उत्कृष्ट सादृश्य है

इस सादृश्य में, आपको इन कारकों पर विचार करना होगा।

आपके डिजाइन में वोल्टेज की आवश्यकता होगी - हमारे मॉडल में, वोल्टेज गति है कारों को यात्रा करने की आवश्यकता है।

डिजाइन में वर्तमान के लिए एक आवश्यकता होगी - यह राजमार्ग के नीचे यात्रा करने के लिए आवश्यक कारों की संख्या है। (या मात्रा)

तार का आकार / प्रतिरोध LAN की संख्या है।

वाटेज, या पावर, दोनों वोल्टेज * करंट का संयोजन है, या एक निश्चित समय में हाईवे पर जाने वाली कारों की संख्या।

राजमार्ग को गति और मात्रा दोनों के विनिर्देशों को पूरा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यदि आपके पास एक बहुत छोटी वर्तमान आवश्यकता है, तो कहें, 1 कार, आपको केवल एक लेन राजमार्ग की आवश्यकता होगी, क्योंकि आपका वाहन जितनी तेज़ी से यात्रा कर सकता है, (उच्च वोल्टेज)। लेकिन अगर आपके पास एक उच्च वर्तमान आवश्यकता है, तो 10,000 कारें, आपको 100 लेन राजमार्ग की आवश्यकता होगी। (बिजली की आवश्यकताओं के आधार पर)

लेकिन उदाहरण के लिए, पावर ग्रिड - 1 मिलियन लोगों के शहर के लिए एक ट्रांसमिशन लाइन। यह बहुत मोटे तौर पर 300,000 घरों में से प्रत्येक में 1 किलोवाट बिजली का उपयोग होता है। इसका मतलब है कि हमारी लाइन को 3 गीगावाट बिजली देने की आवश्यकता है! आप इसे 1 V @ 3 गीगा-एम्प्स, या 3 GV @ 1 amp, या बीच में कुछ के साथ कर सकते हैं।

ट्रांसमिशन लाइन को यथासंभव छोटा बनाने के लिए किस वोल्टेज / करंट की आवश्यकता होगी?

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