Prąd elektryczny, czy raczej „prąd energii”?

Poniższy artykuł jest częścią Radiowej Oślej Łączki. Naświetla tło i rozszerza horyzonty trudnego zagadnienia, dotyczącego przekazywania energii. Przekonuje, dlaczego warto wiedzieć o koncepcji „prądu energii” Heaviside’a oraz dlaczego i na ile ułatwia to zrozumienie podstaw techniki radiowej.

Tytuł tego artykułu, Prąd elektryczny, czy raczej „prąd energii”?, sygnalizuje ogromnie ważną kwestię, którą omawiam poniżej. Otóż na poszczególnych piętrach gmachu elektroniki wykorzystujemy różne uproszczone wyobrażenia i koncepcje, które wcale nie są „całą prawdą o elektronice”. Wykorzystujemy niedoskonałe modele, różne spojrzenia na elektryczność, mające różne zalety, ale też różne wady. W tym artykule opowiem Ci o tym, jak elektryczność widział genialny Oliver Heaviside.

Artykuł dotyczy pewnej bardzo interesującej koncepcji Heaviside’a (rysunek 1), ale najpierw parę zdań wprowadzenia. Otóż na 1. i 2. piętrze wydaje się, że podstawą elektroniki jest prąd, napięcie i prawo Ohma. Na tych piętrach panuje powszechne, fałszywe wyobrażenie, że to prąd elektryczny, czyli uporządkowany ruch elektronów, przenosi energię. I ten błędny pogląd wręcz uniemożliwia zrozumienie „kwestii radiowych”!

Aby w miarę łatwo „wejść na 3. piętro” trzeba zaakceptować fakt, żetakże przy wykorzystaniu przewodów energia ze źródła do odbiornika energii wcale nie jest przekazywana wewnątrz przewodów, tylko „przez powietrze”, a ściślej przez pole elektromagnetyczne, czyli dzięki współdziałaniu pola elektrycznego i pola magnetycznego, czymkolwiek one są.

Według definicji prąd elektryczny to ruch, przenoszenie ładunków elektrycznych. Fałszywe jest pokrewne wyobrażenie, że sam ruch ładunków automatycznie oznacza też ruch, przenoszenie energii! Otóż ładunek elektryczny to coś zdecydowanie innego niż energia.

W zdecydowanej większości źródeł znajdziemy następujące wyjaśnienie: Postawą są ładunki elektryczne. Ładunki „jako takie” nie istnieją, bo ładunek elektryczny to cecha, właściwość. W praktyce najczęściej mamy do czynienia z elektronami, które są nośnikami ujemnego ładunku elektrycznego. Ale są też ładunki dodatnie i nośniki ładunków dodatnich, np. protony. Ładunki elektryczne (w praktyce nośniki ładunków elektrycznych) wytwarzają pole elektryczne. Pole, czyli przestrzeń, w której działają siły, których przyczyną są właśnie ładunki elektryczne, siły określane przez prawo Coulomba. Pole elektryczne to nie tyle przestrzeń, co raczej stan przestrzeni, gdy działają te siły „elektryczne”. Ale są też inne siły – „magnetyczne”.

Otóż poruszające się ładunki (poruszające się nośniki ładunku elektrycznego) powodują powstawanie pola magnetycznego, czyli przestrzeni, gdzie występują, gdzie działają siły „magnetyczne”.

W szczególności prąd elektryczny, czyli uporządkowany ruch elektronów, powoduje powstawanie pola magnetycznego (ale pole magnetyczne może być wytwarzane inaczej, np. w magnesach trwałych, gdzie bezpośrednio ruchu ładunków nie widzimy).

Już sama obecność ładunków powoduje powstanie pola elektrycznego, natomiast ruch takich ładunków powoduje powstanie pola magnetycznego.

Klasyczne wyobrażenie jest takie, że ruch ładunków powoduje „jedynie” powstanie pola magnetycznego, a nie oznacza jeszcze przenoszenia, transportu, przekazywania energii (czego przykładem są nadprzewodzące elektromagnesy). Energii nie przenosi prąd elektryczny. Energii nie przenosi samo pole magnetyczne.

Przekazywanie, przenoszenie energii następuje dopiero wtedy, gdy jednocześnie występuje i pole magnetyczne, i pole elektryczne. Energię przekazuje współdziałanie pola elektrycznego i magnetycznego, czyli, krótko mówiąc, energię bezprzewodowo przekazuje pole elektromagnetyczne.

W takim wyobrażeniu (ślimaczo powolny) prąd elektryczny sam w sobie nie przenosi energii elektrycznej, a jedynie wytwarza pole magnetyczne, niezbędne do przenoszenia energii z prędkością bliską prędkości światła.

Mamy do czynienia z „dwoma prądami”. W słownikach znajdziemy informację, że prąd to uporządkowany ruch, przemieszczanie się w jakimś kierunku, bieg, ruch wody, strumień, kierunek, tendencja.

„Jeden prąd” to prąd elektryczny, czyli uporządkowany ruch nośników ładunku (najczęściej elektronów) i jego prędkość jest śmiesznie mała. Ale mamy też „drugi prąd” – przenoszenie (z ogromną prędkością) energii, realizowane przez pole elektromagnetyczne. O tym „drugim prądzie” mówi się niewiele.

Praktyka pokazuje, że dość łatwo zaakceptować podane właśnie wyjaśnienie bezprzewodowego przekazywania energii, jeżeli dotyczy ono wysokich częstotliwości, co wiąże się z pojęciem fal radiowych. Natomiast ogromnie trudno zaakceptować takie wyobrażenie w przypadku prądu stałego. Jest też problem przy bardzo małych częstotliwościach i przy częstotliwościach bardzo dużych.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze lutowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 2/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 2/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 2/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.