الشحنة الكهربائية هي الخاصية الفيزيائية التي تجعل الجسيمات تتعرض للقوة الكهرومغناطيسية. تأتي في صورة موجبة وسالبة. الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المتعاكسة تتجاذب. أساسية لكل الكيمياء والإلكترونيات.

• 1 كولوم = 6.24×10¹⁸ إلكترون
• بروتون: +1e، إلكترون: -1e
• الشحنة محفوظة (لا تُخلق ولا تُفنى)
• مكمّاة بمضاعفات e = 1.602×10⁻¹⁹ C

التيار (I) هو معدل تدفق الشحنة. Q = I × t. 1 أمبير = 1 كولوم في الثانية. سعة البطارية بـ Ah هي شحنة، وليست تيارًا. 1 Ah = 3600 C.

• التيار = الشحنة لكل زمن (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (تعريف)
• 1 Ah = 3600 C (1 أمبير لمدة ساعة واحدة)
• mAh هي سعة الشحنة، وليست طاقة

البطاريات تخزن الشحنة. تُصنف بـ Ah أو mAh (شحنة) أو Wh (طاقة). Wh = Ah × الجهد. بطارية الهاتف: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. الجهد مهم للطاقة، وليس للشحنة.

• mAh = مللي أمبير-ساعة (شحنة)
• Wh = واط-ساعة (طاقة = شحنة × جهد)
• mAh أعلى = وقت تشغيل أطول (نفس الجهد)
• 3000 mAh ≈ 10,800 كولوم

قبل فهم الشحنة كميًا، استكشف العلماء الكهرباء الساكنة و'السائل الكهربائي' الغامض. مكن اختراع البطاريات من القياس الدقيق لتدفق الشحنة المستمر.

• 1600: ويليام جيلبرت يميز الكهرباء عن المغناطيسية، ويصيغ مصطلح 'كهربائي'
• 1733: شارل دو فاي يكتشف نوعين من الكهرباء (موجبة وسالبة)
• 1745: اختراع قارورة ليدن — أول مكثف، يخزن شحنة قابلة للقياس
• 1785: كولوم ينشر قانون التربيع العكسي F = k(q₁q₂/r²) للقوة الكهربائية
• 1800: فولتا يخترع البطارية — مما يتيح تدفق شحنة مستمر وقابل للقياس
• 1833: فاراداي يكتشف قوانين التحليل الكهربائي — ويربط الشحنة بالكيمياء (ثابت فاراداي)

تطور الكولوم من تعريفات عملية تعتمد على معايير كهروكيميائية إلى التعريف الحديث المرتبط بالأمبير والثانية.

• 1881: تم تعريف أول كولوم عملي عبر معيار الطلاء الكهربائي بالفضة
• 1893: معرض شيكاغو العالمي يوحد معيار الكولوم للاستخدام الدولي
• 1948: المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM) يعرف الكولوم بأنه 1 أمبير-ثانية (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: تم تعريف الأمبير بالقوة بين الموصلات المتوازية، مما يجعل الكولوم غير مباشر
• المشكلة: كان من الصعب تحقيق تعريف الأمبير القائم على القوة بدقة عالية
• التسعينيات-العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: القياس الكمي (تأثير جوزيفسون، تأثير هول الكمي) يتيح عد الإلكترونات

في 20 مايو 2019، تم تثبيت الشحنة الأولية بشكل دقيق، مما أعاد تعريف الأمبير وجعل الكولوم قابلاً للتكرار من الثوابت الأساسية.

• التعريف الجديد: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C بالضبط (لا يوجد شك بموجب التعريف)
• أصبحت الشحنة الأولية الآن ثابتًا محددًا، وليست قيمة مقاسة
• 1 كولوم = 6.241509074 × 10¹⁸ شحنة أولية (بالضبط)
• يمكن لأجهزة النفق أحادي الإلكترون عد الإلكترونات واحدًا تلو الآخر لمعايير شحن دقيقة
• مثلث القياس الكمي: الجهد (جوزيفسون)، المقاومة (هول الكمي)، التيار (مضخة الإلكترون)
• النتيجة: يمكن لأي مختبر به معدات كمية تحقيق الكولوم بشكل مستقل

يمثل إعادة تعريف 2019 تقدمًا يزيد عن 135 عامًا من المعايير الكهروكيميائية إلى الدقة الكمية، مما يتيح الجيل التالي من الإلكترونيات وتخزين الطاقة.

• تقنية البطاريات: قياسات أكثر دقة للسعة للمركبات الكهربائية وتخزين الشبكة
• الحوسبة الكمومية: تحكم دقيق في الشحنة في الكيوبتات والترانزستورات أحادية الإلكترون
• علم القياس: يمكن للمختبرات الوطنية تحقيق الكولوم بشكل مستقل دون الحاجة إلى نماذج مرجعية
• الكيمياء: أصبح ثابت فاراداي الآن دقيقًا، مما يحسن حسابات الكيمياء الكهربائية
• الإلكترونيات الاستهلاكية: معايير أفضل لتقييمات سعة البطارية وبروتوكولات الشحن السريع

• اختصار mAh إلى C: اضرب في 3.6 ← 1000 mAh = 3600 C بالضبط
• Ah إلى C: اضرب في 3600 ← 1 Ah = 3600 C (1 أمبير لمدة ساعة واحدة)
• تحويل سريع من mAh إلى Wh (3.7 فولت): اقسم على ~270 ← 3000 mAh ≈ 11 Wh
• تحويل Wh إلى mAh (3.7 فولت): اضرب في ~270 ← 11 Wh ≈ 2970 mAh
• الشحنة الأولية: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (مقربة من 1.602)
• ثابت فاراداي: F ≈ 96,500 C/mol (مقرب من 96,485)

فهم تقييمات البطارية يمنع الخلط بين الشحنة (mAh) والجهد (V) والطاقة (Wh). هذه القواعد توفر الوقت والمال.

• mAh يقيس الشحنة، وليس الطاقة أو القدرة — إنه عدد الإلكترونات التي يمكنك تحريكها
• للحصول على الطاقة: Wh = mAh × V ÷ 1000 (الجهد حاسم!)
• نفس mAh بجهود مختلفة = طاقة مختلفة (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• بنوك الطاقة: توقع سعة قابلة للاستخدام بنسبة 70-80% (خسائر تحويل الجهد)
• وقت التشغيل = السعة ÷ التيار: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 ساعات (مثالي، أضف هامش 20%)
• أيونات الليثيوم النموذجية: 3.7 فولت اسميًا، 4.2 فولت كامل، 3.0 فولت فارغ (نطاق قابل للاستخدام ~80%)

• الشحنة من التيار: Q = I × t (كولوم = أمبير × ثوانٍ)
• وقت التشغيل: t = Q / I (ساعات = أمبير-ساعة / أمبير)
• الطاقة من الشحنة: E = Q × V (واط-ساعة = أمبير-ساعة × فولت)
• معدل الكفاءة: قابل للاستخدام = المقنن × 0.8 (لحساب الخسائر)
• التحليل الكهربائي: Q = n × F (كولوم = مولات الإلكترونات × ثابت فاراداي)
• طاقة المكثف: E = ½CV² (جول = ½ فاراد × فولت²)

• الخلط بين mAh و mWh — شحنة مقابل طاقة (تحتاج إلى الجهد للتحويل!)
• تجاهل الجهد عند مقارنة البطاريات — استخدم Wh لمقارنة الطاقة
• توقع كفاءة بنك الطاقة بنسبة 100% — يُفقد 20-30% بسبب الحرارة وتحويل الجهد
• الخلط بين C (كولوم) و C (معدل التفريغ) — معاني مختلفة تمامًا!
• افتراض أن mAh = وقت التشغيل — تحتاج إلى معرفة سحب التيار (وقت التشغيل = mAh ÷ mA)
• التفريغ العميق لبطاريات أيونات الليثيوم أقل من 20% — يقصر من عمرها، السعة المقننة ≠ السعة القابلة للاستخدام

الكولوم (C) هو الوحدة الأساسية للشحنة في النظام الدولي. يُعرَّف من الأمبير والثانية: 1 C = 1 A·s. تغطي البادئات من بيكو إلى كيلو جميع النطاقات العملية.

• 1 C = 1 A·s (تعريف دقيق)
• mC, µC, nC للشحنات الصغيرة
• pC, fC, aC للأعمال الكمومية/الدقيقة
• kC للأنظمة الصناعية الكبيرة

الأمبير-ساعة (Ah) والمللي أمبير-ساعة (mAh) هما المعيار للبطاريات. عمليتان لأنهما ترتبطان مباشرة بسحب التيار ووقت التشغيل. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — الهواتف الذكية، الأجهزة اللوحية، سماعات الأذن
• Ah — أجهزة الكمبيوتر المحمولة، الأدوات الكهربائية، بطاريات السيارات
• kAh — المركبات الكهربائية، أنظمة UPS الصناعية
• Wh — سعة الطاقة (تعتمد على الجهد)

الشحنة الأولية (e) هي وحدة أساسية في الفيزياء. ثابت فاراداي في الكيمياء. وحدات CGS (ستاتكولوم، أبكولوم) في الكتب المدرسية القديمة.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (الشحنة الأولية)
• F = 96,485 C (ثابت فاراداي)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

كل الشحنات مكمّاة بمضاعفات الشحنة الأولية e. لا يمكنك الحصول على 1.5 إلكترون. الكواركات لها شحنة كسرية (⅓e، ⅔e) لكنها لا توجد منفردة أبدًا.

• أصغر شحنة حرة: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• إلكترون: -1e، بروتون: +1e
• كل الأجسام لها شحنة N×e (N عدد صحيح)
• تجربة قطرة الزيت لميليكان أثبتت التكميم (1909)

1 مول من الإلكترونات يحمل 96,485 C من الشحنة. يسمى ثابت فاراداي (F). أساسي للكيمياء الكهربائية وكيمياء البطاريات.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 مول e⁻ = 6.022×10²³ إلكترون
• يستخدم في حسابات التحليل الكهربائي
• يربط الشحنة بالتفاعلات الكيميائية

القوة بين الشحنات: F = k(q₁q₂/r²). الشحنات المتشابهة تتنافر، والمتعاكسة تتجاذب. قوة أساسية في الطبيعة. تفسر كل الكيمياء والإلكترونيات.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (حاصل ضرب الشحنات)
• F ∝ 1/r² (قانون التربيع العكسي)
• يفسر البنية الذرية والروابط

كل جهاز يعمل بالبطارية له تصنيف سعة. الهواتف الذكية: 2500-5000 mAh. أجهزة الكمبيوتر المحمولة: 40-100 Wh. بنوك الطاقة: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (حد الطيران)
• AirPods: ~500 mAh (مجتمعة)
• بنك الطاقة: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

بطاريات السيارات الكهربائية تُصنف بـ kWh (طاقة)، لكن السعة تكون بـ kAh عند جهد الحزمة. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. ضخمة مقارنة بالهواتف!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• شحن السيارات الكهربائية: 50-350 كيلوواط DC سريع
• الشحن المنزلي: ~7 كيلوواط (32A @ 220V)

الطلاء الكهربائي، التحليل الكهربائي، بنوك المكثفات، أنظمة UPS كلها تتضمن نقل شحنات كبيرة. UPS الصناعي: سعة 100+ kAh. المكثفات الفائقة: فاراد (C/V).

• الطلاء الكهربائي: عمليات 10-1000 Ah
• UPS الصناعي: احتياطي 100+ kAh
• المكثف الفائق: 3000 F = 3000 C/V
• صاعقة البرق: ~15 C نموذجي

اضرب mAh في 3.6 للحصول على الكولوم. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (بالضبط)
• 1 Ah = 3600 C
• سريعًا: mAh × 3.6 ← C
• مثال: 3000 mAh = 10,800 C

اقسم mAh على ~270 للحصول على Wh عند جهد أيون الليثيوم 3.7 فولت.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• عند 3.7 فولت: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• الجهد مهم للطاقة!

وقت التشغيل (س) = البطارية (mAh) ÷ التيار (mA). 3000 mAh عند 300 mA = 10 ساعات.

• وقت التشغيل = السعة ÷ التيار
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• تيار أعلى = وقت تشغيل أقصر
• خسائر الكفاءة: توقع 80-90%

بطارية 3500 mAh. تطبيق يستخدم 350 mA. كم من الوقت حتى ينفد؟

وقت التشغيل = السعة ÷ التيار = 3500 ÷ 350 = 10 ساعات (مثالي). في الواقع: ~8-9 ساعات (خسائر الكفاءة).

بنك طاقة 20,000 mAh. اشحن هاتف 3,000 mAh. كم عدد الشحنات الكاملة؟

خذ في الاعتبار الكفاءة (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 فعالة. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 شحنات.

ترسيب 1 مول من النحاس (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). كم عدد الكولوم؟

2 مول e⁻ لكل مول Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

جسمك يحتوي على ~10²⁸ بروتون وعدد مساوٍ من الإلكترونات. إذا فقدت 0.01% من الإلكترونات، ستشعر بقوة تنافر تبلغ 10⁹ نيوتن—كافية لسحق المباني!

صاعقة البرق: ~15 C فقط من الشحنة، ولكن 1 مليار فولت! الطاقة = Q×V، لذا 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. هذا يعادل 4.2 ميجاوات/ساعة—يمكن أن تزود منزلك بالطاقة لأشهر!

عرض علمي كلاسيكي يبني شحنة تصل إلى ملايين الفولتات. الشحنة الإجمالية؟ ~10 µC فقط. صادمة ولكن آمنة—تيار منخفض. الجهد ≠ خطر، التيار يقتل.

بطارية السيارة: 60 Ah = 216,000 C، تُطلق على مدار ساعات. المكثف الفائق: 3000 F = 3000 C/V، يُطلق في ثوانٍ. كثافة الطاقة مقابل كثافة القدرة.

1909: قام ميليكان بقياس الشحنة الأولية من خلال مشاهدة قطرات الزيت المشحونة وهي تسقط. وجد أن e = 1.592×10⁻¹⁹ C (الحديث: 1.602). فاز بجائزة نوبل عام 1923.

تكميم شحنة الإلكترون دقيق جدًا، لدرجة أنه يستخدم لتعريف معيار المقاومة. الدقة: جزء واحد من 10⁹. الثوابت الأساسية تحدد جميع الوحدات منذ عام 2019.

mAh يقيس الشحنة (كم عدد الإلكترونات). Wh يقيس الطاقة (الشحنة × الجهد). نفس mAh بجهود مختلفة = طاقة مختلفة. استخدم Wh لمقارنة البطاريات عبر الفولتية المختلفة. Wh = mAh × V ÷ 1000.

السعة المقننة هي اسمية، وليست قابلة للاستخدام. بطاريات أيون الليثيوم: تتفرغ من 4.2 فولت (كامل) إلى 3.0 فولت (فارغ)، لكن التوقف عند 20% يحافظ على عمرها. خسائر التحويل والحرارة والتقادم تقلل من السعة الفعالة. توقع 80-90% من المقنن.

ليست مجرد نسبة سعة. بنك طاقة 20,000 mAh: كفاءة ~70-80% (تحويل الجهد، الحرارة). السعة الفعالة: 16,000 mAh. لهاتف 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 شحنات. في الواقع: 4-5.

الشحنة الأولية (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) هي شحنة بروتون أو إلكترون واحد. كل الشحنات مكمّاة بمضاعفات e. أساسية لميكانيكا الكم، وتعرف ثابت البنية الدقيقة. منذ عام 2019، أصبحت e دقيقة بالتعريف.

نعم! الشحنة السالبة تعني فائضًا من الإلكترونات، والموجبة تعني نقصًا. الشحنة الإجمالية جبرية (يمكن أن تلغي بعضها البعض). الإلكترونات: -e. البروتونات: +e. الأجسام: عادة ما تكون قريبة من الحياد (تساوي + و -). الشحنات المتشابهة تتنافر، والمتعاكسة تتجاذب.

أيونات الليثيوم: التفاعلات الكيميائية تؤدي إلى تدهور مواد القطب ببطء. كل دورة شحن تسبب تغييرات صغيرة لا رجعة فيها. التفريغ العميق (<20%)، ودرجة الحرارة المرتفعة، والشحن السريع يسرع من التقادم. البطاريات الحديثة: 500-1000 دورة إلى 80% من السعة.