Powerbank 20 000 mAh — dlaczego nie naładuje telefonu cztery razy

Pasażer stoi w kolejce do kontroli bezpieczeństwa z nowym powerbankiem w bagażu podręcznym. Na obudowie dumny napis: 20 000 mAh. W kieszeni telefon z baterią 5000 mAh. Rachunek wydaje się banalny — dwadzieścia tysięcy podzielone przez pięć tysięcy to cztery pełne ładowania na cały transatlantycki lot.

Oficer ochrony bierze urządzenie do ręki i wielki napis reklamowy zupełnie go nie interesuje. Obraca powerbank i szuka drobnego nadruku na spodzie: liczby wyrażonej w watogodzinach. Jeśli jej nie znajdzie, urządzenie nie poleci.

A w samolocie czeka drugie rozczarowanie. Telefon naładuje się dwa razy do pełna, a przy trzecim podejściu powerbank zgaśnie gdzieś w okolicach pięćdziesięciu procent. Nie ma tu oszustwa — jest jedno z najpowszechniejszych nieporozumień współczesnej elektroniki: mylenie ładunku elektrycznego z energią. To dwie różne wielkości fizyczne, mierzone w różnych jednostkach, a marketing zlał je w jedną liczbę na pudełku.

Żeby to rozplątać, trzeba zacząć od bohatera całej opowieści — od ładunku i od człowieka, który pierwszy nauczył się go mierzyć.

Waga, która zważyła niewidzialne

Ładunek elektryczny to jedna z podstawowych właściwości materii — ta, która decyduje, z jaką siłą ciała oddziałują ze sobą poprzez pole elektromagnetyczne. Jednostką ładunku w układzie SI jest kulomb (symbol C), nazwany na cześć francuskiego fizyka i inżyniera wojskowego Charles'a-Augustina de Coulomba (1736–1806).

Zanim Coulomb zajął się elektrycznością, spędził kilka lat jako oficer Korpusu Inżynieryjnego na Martynice, gdzie kierował budową fortu Bourbon. Praca w tropiku zrujnowała mu zdrowie, ale wyrobiła coś cenniejszego: obsesję na punkcie tarcia i precyzji pomiaru. Po powrocie do Francji zmierzył się z problemem, który blokował całą ówczesną elektrostatykę — jak zmierzyć siły tak małe, że tarcie w przyrządzie fałszuje wynik bardziej niż samo zjawisko?

Odpowiedzią była waga skręceń, zaprezentowana w 1785 roku. Coulomb wyeliminował tarcie osiowe, zawieszając lekki drążek na niezwykle cienkim srebrnym drucie. Na jednym końcu drążka umieścił małą przewodzącą kulkę, na drugim przeciwwagę. Gdy przez otwór w szklanym kloszu wprowadzano drugą, naładowaną kulkę, siła elektrostatyczna obracała drążek, skręcając drut. Sprężystość skrętna drutu stawiała opór aż do równowagi — a kąt skręcenia, odczytany z mikrometru, był miarą siły.

Tak zmierzone dane pozwoliły sformułować prawo Coulomba: siła między dwoma ładunkami punktowymi jest wprost proporcjonalna do ich iloczynu i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Sto lat później, na Międzynarodowym Kongresie Elektryków w Paryżu w 1881 roku, nazwisko Coulomba trafiło na stałe do nazwy jednostki ładunku.

Rewolucja z 2019 roku: amper zakładnikiem elektronu

Przez dziesięciolecia kulomb był w SI jednostką wtórną. Podręczniki podawały: jeden kulomb to ładunek przepływający przez przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy przy prądzie o natężeniu jednego ampera. Sam amper definiowano zaś przez eksperyment myślowy — dwa nieskończenie długie, nieskończenie cienkie przewody w próżni, w odległości metra od siebie, przyciągające się siłą dokładnie 2 × 10⁻⁷ niutona na każdy metr długości.

Elegancko na papierze, koszmarnie w laboratorium. Nieskończenie długich przewodów o zerowym przekroju nikt nigdy nie zbudował, a pomiar tak drobnych sił magnetycznych obarczony był sporą niepewnością. Wzorzec zależał od ograniczeń aparatury.

20 maja 2019 roku, w Światowym Dniu Metrologii, weszła w życie redefinicja układu SI. Jednostki oparto nie na doświadczeniach, lecz na stałych fizycznych o ustalonych, dokładnych wartościach. Ładunku dotyczyło to bezpośrednio: ładunek elementarny e, czyli bezwzględna wartość ładunku elektronu lub protonu, stał się stałą definicyjną:

e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C — dokładnie, bez niepewności pomiarowej.

Kolejność zależności odwróciła się. Dziś to amper jest definiowany przez ładunek elementarny, a nie odwrotnie: jeden amper to prąd odpowiadający przepływowi dokładnie 1/(1,602 176 634 × 10⁻¹⁹) ładunków elementarnych na sekundę. Odwracając równanie, dostajemy liczbę elektronów w jednym kulombie:

1 C ≈ 6,241 509 074 × 10¹⁸ elektronów

W polskiej skali długiej to około sześć trylionów elektronów. Jednostka ładunku przestała zależeć od jakiegokolwiek przedmiotu na Ziemi.

Skala ładunku: od klamki do pioruna

Intuicja podpowiada, że iskra przeskakująca z palca na metalową klamkę to zjawisko mikroskopijne, a piorun — apokaliptyczny transfer ładunku. Pierwsza część intuicji jest trafna. Druga zaskakująco chybiona.

Kiedy szurasz stopami po syntetycznym dywanie, tarcie zdziera elektrony i gromadzi je na skórze. Twoje ciało zachowuje się wtedy jak okładka kondensatora o pojemności rzędu 100–250 pikofaradów. Napięcie może sięgnąć kilkunastu tysięcy woltów — ale ładunek, który oddajesz klamce, to zaledwie jeden do pięciu mikrokulombów. (Sprawdź sam: 100 pF × 20 000 V = 2 µC.)

Piorun to wyładowanie w chmurze spolaryzowanej tak, że ładunki ujemne skupiają się u jej podstawy. Przeciętne ujemne uderzenie z chmury do ziemi przenosi ładunek rzędu 15 kulombów, przy prądzie sięgającym trzydziestu tysięcy amperów w ułamku sekundy. Najpotężniejsze wyładowania dodatnie dochodzą do 350 kulombów.

A teraz porównanie, które psuje intuicję. Bateria smartfona o pojemności 4000 mAh przechowuje 14 400 kulombów ładunku. To niemal tysiąc razy więcej elektronów, niż przepływa w pojedynczym uderzeniu pioruna.

Dlaczego więc telefon nie eksploduje? Bo ładunek to nie energia, a o dramaturgii decydują napięcie i czas. Piorun uwalnia swoje piętnaście kulombów pod napięciem setek milionów woltów w ciągu mikrosekund — stąd moc liczona w terawatach. Telefon oddaje swoje czternaście tysięcy kulombów przez kilkanaście godzin, pod napięciem niespełna czterech woltów.

Dlaczego mAh, a nie kulomby

Skoro kulomb jest oficjalną jednostką SI, dlaczego cała branża baterii uparcie liczy w amperogodzinach i ich tysięcznych częściach? Powód jest czysto praktyczny.

Użytkownika interesuje jedno pytanie: jak długo to będzie działać? Gdyby na baterii widniało „14 400 C", a telefon pobierał 0,2 A, trzeba by podzielić ładunek przez natężenie, dostać 72 000 sekund i dopiero ręcznie zamienić to na godziny.

Amperogodzina zdejmuje ten kłopot, bo z definicji łączy prąd z czasem. Cała matematyka sprowadza się do tego, że godzina ma 3600 sekund:

1 Ah = 1 A · 1 h = 1 A · 3600 s = 3600 C

1 mAh = 0,001 A · 3600 s = 3,6 C

Dzięki temu przy baterii 4000 mAh i poborze 200 mA czas pracy widać od ręki: 4000 ÷ 200 = 20 godzin. Ta wygoda wyparła kulomby z języka technologii — choć obie jednostki mierzą dokładnie to samo i możesz je swobodnie przeliczać w naszym konwerterze ładunku elektrycznego.

Mit pierwszy: „20 000 mAh naładuje telefon 5000 mAh cztery razy"

Ten rachunek zakłada, że miliamperogodziny wolno dzielić bez oglądania się na napięcie. Nie wolno.

Ogniwa litowo-jonowe w powerbanku pracują przy napięciu nominalnym około 3,7 V. Port USB podaje na wyjściu 5 V (a w standardach szybkiego ładowania 9, 12 albo 20 V). Żeby prąd opuścił powerbank, wbudowana przetwornica podwyższająca (boost converter) musi podnieść napięcie. Energia się nie mnoży — jeśli rośnie napięcie, musi spaść ładunek:

20 000 mAh × 3,7 V ÷ 5,0 V = 14 800 mAh

Sama zmiana napięcia na standard USB zabiera więc 26% ładunku, zanim jeszcze podłączysz telefon. A to dopiero układ idealny. Realne przetwornice mają sprawność 88–93% w dobrych konstrukcjach i poniżej 80% w budżetowych. Przyjmijmy przyzwoite 88%:

14 800 mAh × 0,88 ≈ 13 000 mAh

To właśnie jest pojemność znamionowa (rated capacity) — realny ładunek, jaki powerbank odda przez port USB. Rzetelni producenci drukują ją drobnym drukiem obok wielkiej liczby marketingowej.

Dalej robi się jeszcze ciekawiej. Kabel zjada kolejne 3–8% (zależnie od grubości żył), a kontroler ładowania w telefonie, obniżając 5 V do napięcia akumulatora, gubi następne 5–10% w postaci ciepła. Szybkie ładowanie 9 czy 12 V grzeje jeszcze mocniej i potrafi zbić sprawność całego łańcucha do 60–70%.

Po zsumowaniu strat powerbank 20 000 mAh naładuje telefon z baterią 5000 mAh zwykle od 2,5 do 2,9 raza — nigdy cztery.

Mit drugi: „mAh to jednostka energii"

To błąd kategorialny, powtarzany nawet przez recenzentów sprzętu. Miliamperogodzina mierzy ładunek, czyli liczbę elektronów. Energia wymaga uwzględnienia napięcia, pod jakim te elektrony są wypychane do obwodu. Mierzy się ją w watogodzinach:

Energia [Wh] = Pojemność [mAh] × Napięcie [V] ÷ 1000

Porównajmy dwa akumulatory. Pierwszy siedzi w powerbanku: 10 000 mAh przy 3,7 V, czyli 37 Wh. Drugi zasila profesjonalną kamerę albo drona: tylko 5000 mAh, ale ogniwa połączono szeregowo do napięcia 14,8 V, więc 74 Wh.

Akumulator drona ma na papierze dwa razy mniejszą pojemność w mAh, a przechowuje dwa razy więcej energii i wykona dwa razy większą pracę. Porównywanie baterii o różnych napięciach samą liczbą miliamperogodzin nie ma żadnego sensu fizycznego. Jeśli chcesz porównywać uczciwie — przelicz na watogodziny.

Mit trzeci: „linie lotnicze limitują powerbanki w mAh"

Wśród podróżnych krąży plotka o zakazie wnoszenia powerbanków „powyżej 20 000 mAh". Tymczasem przepisy IATA i FAA jednostki mAh w ogóle nie znają. Liczą się wyłącznie watogodziny.

Powód jest pożarowy. Uszkodzone albo wadliwe ogniwo litowo-jonowe może wpaść w ucieczkę termiczną — samopodtrzymujący się wzrost temperatury prowadzący do zapłonu. Gwałtowność takiego pożaru zależy od zmagazynowanej energii chemicznej, a nie od liczby elektronów. Stąd trójstopniowa klasyfikacja z IATA Dangerous Goods Regulations:

• do 100 Wh — dozwolone w bagażu podręcznym bez zgłaszania przewoźnikowi;
• 101–160 Wh — wymagana wcześniejsza zgoda linii lotniczej, zwykle maksymalnie dwie sztuki na pasażera;
• powyżej 160 Wh — zakaz w kabinie i w bagażu rejestrowanym; wyłącznie jako certyfikowany cargo.

Ile to jest nasz powerbank? 20 000 mAh × 3,7 V ÷ 1000 = 74 Wh. Z zapasem mieści się w najbezpieczniejszym progu. Teraz jasne, skąd na rynku tyle modeli o dziwnej pojemności 26 800 mAh — to 99,2 Wh, czyli maksimum tuż pod granicą 100 Wh.

Dwie rzeczy warto zapamiętać. Po pierwsze, powerbank jest traktowany jak zapasowa bateria, więc do luku bagażowego trafić nie może — w razie pożaru załoga nie miałaby jak go ugasić. Po drugie, coraz więcej przewoźników zakazuje ładowania powerbanku w trakcie lotu i każe trzymać go w zasięgu wzroku, a nie w schowku nad głową. Przed lotem sprawdź regulamin swojej linii, bo te zasady różnią się między przewoźnikami.

Złota zasada 0,65

Rzetelny producent podaje na obudowie pojemność znamionową dla napięcia 5 V. Napis „Rated Capacity: 13 000 mAh @ 5V" pod wielkim „20 000 mAh" to dobry znak — świadczy o wysokiej sprawności i uczciwym przeliczeniu. Brak takiej informacji sugeruje coś odwrotnego.

Gdy nadruku nie ma, wystarczy prosta heurystyka: pomnóż pojemność nominalną przez 0,65. Współczynnik uwzględnia i konwersję napięcia, i typowe straty na przetwornicach, kablu oraz kontrolerze ładowania.

Fizyka nie kłamie, etykieta bywa niedomówieniem

Producent, drukując „20 000 mAh", podaje prawdę — tyle ładunku faktycznie mieszczą ogniwa przy swoim napięciu 3,7 V. Przemilcza tylko, że do Twojego telefonu ten ładunek dotrze po drodze przez dwie przetwornice, kabel i kontroler ładowania, a każdy z tych etapów pobiera swoją daninę w cieple.

Kulomb i miliamperogodzina liczą elektrony. Watogodzina liczy pracę, jaką te elektrony mogą wykonać. Dopóki mylimy te dwie rzeczy, powerbank będzie nas rozczarowywał, a przepisy lotnicze wydawać się arbitralne. Kiedy je rozdzielimy, wszystko wraca na miejsce: 74 Wh w kieszeni, dwa i pół ładowania telefonu i spokojne przejście przez kontrolę bezpieczeństwa.

Dalsza lektura

• BIPM, The International System of Units (SI Brochure), wyd. 9 (2019) — oficjalne definicje ampera i ładunku elementarnego.
• Główny Urząd Miar, Redefinicja Międzynarodowego Układu Jednostek Miar SI (gum.gov.pl) — polskie omówienie zmian z 2019 roku.
• NIST, Reference on Constants, Units, and Uncertainty: elementary charge (physics.nist.gov/cuu) — wartość e i jej status stałej definicyjnej.
• IATA, Passengers Travelling with Lithium Batteries (iata.org) — obowiązujące progi 100 Wh i 160 Wh.
• FAA, Batteries Carried by Airline Passengers — FAQ (faa.gov) — amerykański odpowiednik przepisów.
• National MagLab, Charles-Augustin de Coulomb oraz Torsion Balance – 1785 (nationalmaglab.org) — biografia i opis wagi skręceń.