Niewzruszone fundamenty elektroniki przewodowej (2)

W pierwszym artykule tej serii omówiłem fundamentalne wzory, na których opiera się elektronika wykorzystująca przewody, napięcie i prąd elektryczny. W poniższym artykule omawiam prawa Kirchhoffa, ale wcześniej omawiam ogromnie ważny aspekt, sygnalizowany przez obrazek tytułowy z bocianem.

Na początek przypomnę, że w elektronice najważniejsza jest energia, czyli w uproszczeniu zdolność do działania, do zmian. W elektronice przede wszystkim zajmujemy się energią elektryczną, a ściślej elektromagnetyczną. Energia ta przekazywana jest przez współdziałanie pola elektrycznego i pola magnetycznego, czego praktycznymi przykładami są choćby ładowarka bezprzewodowa, kuchenka indukcyjna oraz kuchenka mikrofalowa. Bezprzewodowe przekazywanie energii (i informacji) nie jest zagadnieniem łatwym. Nieporównanie łatwiej zrozumieć i zrealizować przekazywanie energii elektromagnetycznej w przypadkach, gdy wykorzystujemy przewody.

Wtedy pomijamy trudne zagadnienia „bezprzewodowe” i zajmujemy się tylko nieporównanie łatwiejszą częścią, którą można nazwać elektroniką przewodową. Tu można bardzo łatwo określać „zależności energetyczne” mierząc napięcie elektryczne ściśle związane z polem elektrycznym oraz prąd elektryczny ściśle związany z polem magnetycznym. Pomnożenie ich (iloczyn) daje moc, a podzielenie (iloraz) daje szeroko pojętą oporność (rezystancję, impedancję), którą będziemy omawiać w następnych artykułach tej serii. A w tym artykule opowiem o kolejnych podstawowych prawach i zasadach rządzących właśnie elektroniką przewodową.

Bocian, dzieci i energia elektryczna

Elektronika to w sumie nauka o kontrolowanych sposobach przekazywania oraz przetwarzania energii (i informacji). Fotografia 1 (pochodząca z mojego wcześniejszego filmu) pokazuje przykład bezprzewodowego przekazywania energii elektromagnetycznej potrzebnej do zaświecenia trzymanej w ręku świetlówki. Wszystko to działa zgodnie ze ścisłymi zasadami fizyki, tylko zasady i szczegóły działania niełatwo wytłumaczyć osobom niezorientowanym i początkującym.

Fotografia 2 prezentuje inny, dużo prostszy przykład: przekazywanie energii elektrycznej z baterii do diody świecącej.

W obu przypadkach energia (elektromagnetyczna) przekazywana jest ze źródła energii do (świecącego) odbiornika energii przez współdziałanie pola elektrycznego i magnetycznego według tych samych reguł (dość trudnych, opisanych przez tzw. wektor Poyntinga). Można to przedstawić bardzo ogólnie, jak na rysunku 3.

Jeżeli to przekazywanie energii następuje jak na fotografii 1, czyli w sposób bezprzewodowy, zilustrowany na rysunku 4, to jest naprawdę duży kłopot z przedstawieniem i wytłumaczeniem zasady działania i szczegółów. Jest też ogromny kłopot z pomiarami, bo należałoby mierzyć „siłę” i pola elektrycznego E i pola magnetycznego H oraz uwzględniać wiele dodatkowych czynników, a to ogromnie trudne zadanie!

Jeżeli natomiast przekazywanie energii następuje według fotografii 2 z wykorzystaniem przewodów, to jest zdecydowanie łatwiej i można to zilustrować jak na rysunku 5. Pomiary można przeprowadzić nieporównanie prościej, bo łatwo zmierzyć napięcie elektryczne (U) i prąd elektryczny (I), a jak wiemy z poprzedniego artykułu tej serii, ich iloczyn daje moc (P = U × I), czyli tempo przekazywania energii, a iloraz (R = U / I) określa „warunki przekazywania energii”, co nazywamy opornością (rezystancją, impedancją).

I tu jest bardzo ważny punkt naszych rozważań: po pierwsze, pomiary są łatwe tylko w sytuacjach, gdy wykorzystujemy przewody. Po drugie, przedstawienie sytuacji jak na rysunku 5 (niesłusznie) sugeruje, że energię przenosi prąd elektryczny, czyli ruch elektronów w przewodach.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w listopadowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 11/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 11/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.