Niewzruszony fundament elektroniki przewodowej

W innej serii artykułów uzasadniłem na pozór dziwny fakt, że energia elektr(omagnet)yczna zawsze przekazywana jest bezprzewodowo, „przez powietrze”. W tym artykule pokazuję, że gdy używane są przewody, możemy wykorzystać bardzo proste zależności dotyczące napięcia i prądu elektrycznego.

Współczesna cywilizacja opiera się na elektromagnetyzmie i elektryczności. Dziś powszechnie mamy do czynienia z bezprzewodowym przekazywaniem energii i informacji. Zamiast telefonów stacjonarnych, przewodowych, mamy telefony bezprzewodowe. Zamiast rozmaitych kabelków powszechnie wykorzystywane są łącza Wi-Fi i Bluetooth, nie mówiąc już o bezprzewodowych sposobach od dawna stosowanych w systemach radia oraz telewizji naziemnej i satelitarnej. Tam wykorzystuje się fale radiowe, a ściślej – fale elektromagnetyczne, inaczej mówiąc – pole elektromagnetyczne, czymkolwiek ono jest..

Na pewno przenoszona jest tam energia.

Ewidentnymi przykładami przenoszenia energii przez pole elektromagnetyczne są ładowarka bezprzewodowa do smartfona, kuchenka indukcyjna i kuchenka mikrofalowa. Energię zawsze przenosi pole elektromagnetyczne. Okazuje się, że w przypadku wykorzystania przewodów, energię też przenosi pole elektromagnetyczne. Jednak zrozumienie szczegółów dotyczących fal i pola elektromagnetycznego nie jest łatwe. Tak się jednak szczęśliwie składa, że w przypadku wykorzystania przewodów, choć nie przekazują one energii tylko nadają jej kierunek, to co się w nich dzieje, wiernie odzwierciedla transfer energii.

Choć energię zawsze przenosi pole elektromagnetyczne, w przypadku wykorzystania przewodów nie musimy sobie zawracać głowy polem elektromagnetycznym i wektorem Poyntinga, ponieważ wtedy łatwe do zmierzenia napięcie i prąd w przewodach pokazują wielkość i „okoliczności” przemian czy transportu energii. Bezprzewodowe przekazywanie energii zawsze znajduje odzwierciedlenie w wartościach parametrów pomocniczych – prądu i napięcia elektrycznego. W tym artykule nie będziemy wnikać w to, czym jest prąd i napięcie elektryczne. Ważne jest to, że potrafimy je bardzo łatwo mierzyć: za pomocą amperomierzy i woltomierzy. A to genialnie upraszcza zagadnienie.

Fundament „elektroniki przewodowej”

Podkreślam, że poniższe informacje absolutnie nie są „całą prawdą o elektryczności”, ale na początek można uznać, że fundamentem elektrotechniki i elektroniki „przewodowej” są dwie proste zależności i dwa reprezentujące je wzory:

P = U × I
R = U / I

Pierwszy wzór (P = U × I) dotyczy najważniejszego: energii. Ale nie ilości energii, tylko tempa przemian czy przekazywania energii. Otóż pomnożenie pomocniczych parametrów: napięcia U oraz prądu I, daje informacje o mocy P. A moc P to właśnie tempo przemian czy przekazywania energii.

Drugi wzór (R = U / I) określa rezystancję R, czyli okoliczności, warunki, specyfikę przekazywania (przemian) energii elektrycznej. I właśnie stosunek U / I wyraża te „okoliczności przekazywania energii”. Szczegóły w tym i w następnych artykułach serii, ale najpierw zajmijmy się energią i mocą.

Otóż naprawdę najważniejsze w całej elektronice okazują się właśnie kwestie związane z  energią E i z tempem jej przekazywania/przekształcania, czyli z  mocą P. Jednak w praktyce dużo trudniej jest określać całkowitą ilość energii E, a zdecydowanie łatwiej jest zmierzyć i obliczyć „aktualną” moc, czyli tempo przekazywania czy przemian energii, właśnie z prostego wzoru P = U × I. Im większy iloczyn U × I, tym w szybszym tempie energia elektryczna jest przekazywana czy też przetwarzana.

Dla bardziej wnikliwych: jeśli to tempo (moc), wyrażone wzorem P = U × I jest niezmienne w czasie, to ilość energii E przekazanej czy przetworzonej łatwo obliczymy mnożąc moc i czas: E = P × t = U × I × t.

Natomiast jeżeli tempo U × I zmienia się z upływem czasu, to zamiast zwykłego mnożenia należy przeprowadzić matematyczną operację całkowania, czyli swego rodzaju „uniwersalnego sumowania”, ale ten szczegół teraz pominiemy.

Interesujący i dość istotny jest inny szczegół. Otóż o mocy P mówi się też w przypadku mechaniki. W szkole na lekcjach fizyki najpierw omawiana jest mechanika i tam mówi się i o energii E, i o pracy W, wyrażanych w dżulach [J]. Moc P określana jest tam jako ilość pracy W wykonanej w jednostce czasu, co wyraża wzór: P = W / t. Jednostką mocy jest dżul na sekundę [J/s], czyli wat [W].

W elektronice też mamy do czynienia z energią, tylko z odmienną formą energii. Ale energia jest tylko jedna (energia rozumiana ogólnie jako zdolność do wykonania pracy, zdolność do zmian), natomiast ma różne formy, postacie. Energia elektryczna, ściślej elektromagnetyczna, podobnie jak mechaniczna, też powinna być wyrażana w dżulach [J], a moc w dżulach na sekundę [J/s], czyli w watach [ W].

Jednak w przypadku energii elektrycznej prawie nigdy nie mówimy o dżulach, tylko wyrażamy ją w watosekundach [Ws], watogodzinach [Wh] lub w kilowatogodzinach [kWh] gdzie 1 Ws = 1 J, 1 Wh = 3600 Ws = 3600 J, a 1 kWh = 3600000 Ws = 3600000 J. Można więc powiedzieć że „w elektronice wat jest ważniejszy od dżula”. Może nie tyle ważniejszy, co bardziej popularny w praktyce, bo łatwiej mierzyć tempo przemian/przekazywania energii, czyli moc P wyrażoną w watach, niż całkowitą ilość, porcję energii przekazanej/przetworzonej w określonym czasie.

To była tylko dygresja na temat dżula i wata. Ważne jest to, że podczas przekazywania czy przemian energii elektrycznej, według zależności P = U × I mamy do czynienia z bardzo różnymi sytuacjami. Najprościej biorąc, dane tempo przekazywania energii P można uzyskać przy bardzo różnych wartościach napięcia U oraz prądu I. Przykładowo moc elektryczną 100 watów, czyli tempo przekazywania energii 100 dżuli na sekundę, można uzyskać, gdy napięcie wynosi 100 woltów a prąd 1 amper, albo gdy napięcie wynosi 1 wolt, a prąd 100 amperów. Jest też nieskończenie wiele różnych innych kombinacji. Oto kilkanaście bardziej i mniej realnych przykładów:

100 W = 1 000 000 V × 0,0001 A
100 W = 100 000 V × 0,001 A
100 W = 10 000 V × 0,01 A
100 W = 1000 V × 0,1 A
100 W = 230 V × 0,4348 A
100 W = 100 V × 1 A
100 W = 20 V × 5 A
100 W = 12 V × 8,333 A
100 W = 10 V × 10 A
100 W = 5 V × 20 A
100 W = 1 V × 100 A
100 W = 0,1 V × 1000 A
100 W = 0,01 V × 10 000 A
100 W = 0,001 V × 100 000 A

Praktyczna znajomość elektroniki to między innymi zrozumienie, dlaczego niektóre z tych kombinacji są praktyczne, realne, a inne są nierealne, teoretyczne, absolutnie niespotykane w praktyce elektronika, nawet wręcz niemożliwe. To oddzielny temat, a na razie omówmy drugi kluczowy punkt tego artykułu.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w październikowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2025). 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 10/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

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