Електрическият заряд е физическото свойство, което кара частиците да изпитват електромагнитна сила. Бива положителен и отрицателен. Едноименните заряди се отблъскват, разноименните се привличат. Фундаментален за цялата химия и електроника.

• 1 кулон = 6.24×10¹⁸ електрона
• Протон: +1e, Електрон: -1e
• Зарядът се запазва (никога не се създава/унищожава)
• Квантуван в кратни на e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Токът (I) е скоростта на потока на заряда. Q = I × t. 1 ампер = 1 кулон в секунда. Капацитетът на батерията в Ah е заряд, а не ток. 1 Ah = 3600 C.

• Ток = заряд за време (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (дефиниция)
• 1 Ah = 3600 C (1 ампер за 1 час)
• mAh е капацитет на заряд, а не мощност

Батериите съхраняват заряд. Оценяват се в Ah или mAh (заряд) или Wh (енергия). Wh = Ah × Напрежение. Батерия на телефон: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Напрежението има значение за енергията, а не за заряда.

• mAh = милиампер-час (заряд)
• Wh = ват-час (енергия = заряд × напрежение)
• По-висок mAh = по-дълго време на работа (при същото напрежение)
• 3000 mAh ≈ 10,800 кулона

Преди да разберат заряда количествено, учените изследвали статичното електричество и мистериозния „електрически флуид“. Изобретяването на батериите позволило точно измерване на непрекъснатия поток на заряд.

• 1600: Уилям Гилбърт разграничава електричеството от магнетизма, въвежда термина „електрически“
• 1733: Шарл дю Фей открива два вида електричество (положително и отрицателно)
• 1745: Изобретена е Лайденската стъкленица — първият кондензатор, съхраняващ измерим заряд
• 1785: Кулон публикува закона за обратните квадрати F = k(q₁q₂/r²) за електрическа сила
• 1800: Волта изобретява батерията — позволява непрекъснат, измерим поток на заряд
• 1833: Фарадей открива законите на електролизата — свързва заряда с химията (константа на Фарадей)

Кулонът еволюира от практически дефиниции, базирани на електрохимични стандарти, до модерната дефиниция, свързана с ампера и секундата.

• 1881: Първият практически кулон е дефиниран чрез стандарт за посребряване
• 1893: Световното изложение в Чикаго стандартизира кулона за международна употреба
• 1948: CGPM дефинира кулона като 1 ампер-секунда (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Амперът се дефинира чрез силата между паралелни проводници, което прави кулона непряк
• Проблем: Дефиницията на ампера, базирана на сила, е трудна за реализиране с висока точност
• 1990-те-2010-те: Квантовата метрология (ефект на Джозефсън, квантов ефект на Хол) позволява броене на електрони

На 20 май 2019 г. елементарният заряд е фиксиран точно, предефинирайки ампера и правейки кулона възпроизводим от фундаментални константи.

• Нова дефиниция: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C точно (нулева несигурност по дефиниция)
• Елементарният заряд вече е дефинирана константа, а не измерена стойност
• 1 кулон = 6.241509074 × 10¹⁸ елементарни заряда (точно)
• Устройствата за тунелиране на единични електрони могат да броят електроните един по един за прецизни стандарти на заряд
• Триъгълник на квантовата метрология: напрежение (Джозефсън), съпротивление (квантов Хол), ток (електронна помпа)
• Резултат: Всяка лаборатория с квантово оборудване може да реализира кулона независимо

Предефинирането от 2019 г. представлява над 135 години напредък от електрохимични стандарти до квантова прецизност, позволявайки следващото поколение електроника и съхранение на енергия.

• Технология на батериите: По-точни измервания на капацитета за електрически превозни средства, съхранение в мрежата
• Квантови изчисления: Прецизен контрол на заряда в кубити и транзистори с единичен електрон
• Метрология: Националните лаборатории могат независимо да реализират кулона без референтни артефакти
• Химия: Константата на Фарадей вече е точна, подобрява електрохимичните изчисления
• Потребителска електроника: По-добри стандарти за рейтингите на капацитета на батериите и протоколите за бързо зареждане

• Пряк път от mAh до C: Умножете по 3.6 → 1000 mAh = 3600 C точно
• Ah до C: Умножете по 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 ампер за 1 час)
• Бързо от mAh до Wh (3.7V): Разделете на ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh до mAh (3.7V): Умножете по ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Елементарен заряд: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (закръглено от 1.602)
• Константа на Фарадей: F ≈ 96,500 C/mol (закръглено от 96,485)

Разбирането на рейтингите на батериите предотвратява объркване между заряд (mAh), напрежение (V) и енергия (Wh). Тези правила спестяват време и пари.

• mAh измерва ЗАРЯД, а не мощност или енергия — това е колко електрони можете да преместите
• За да получите енергия: Wh = mAh × V ÷ 1000 (напрежението е критично!)
• Същият mAh при различни напрежения = различна енергия (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Външни батерии: Очаквайте 70-80% използваем капацитет (загуби при преобразуване на напрежението)
• Време на работа = Капацитет ÷ Ток: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 часа (идеално, добавете 20% марж)
• Типично за Li-ion: 3.7V номинално, 4.2V пълно, 3.0V празно (използваем диапазон ~80%)

• Заряд от ток: Q = I × t (кулони = ампери × секунди)
• Време на работа: t = Q / I (часове = ампер-часове / ампери)
• Енергия от заряд: E = Q × V (ват-часове = ампер-часове × волта)
• Коригирано за ефективност: Използваем = Номинален × 0.8 (отчитайте загубите)
• Електролиза: Q = n × F (кулони = молове електрони × константа на Фарадей)
• Енергия на кондензатор: E = ½CV² (джаули = ½ фарада × волта²)

• Объркване на mAh с mWh — заряд срещу енергия (необходимо е напрежение за преобразуване!)
• Игнориране на напрежението при сравняване на батерии — използвайте Wh за сравнение на енергията
• Очакване на 100% ефективност на външна батерия — 20-30% се губят в топлина и преобразуване на напрежението
• Смесване на C (кулони) с C (скорост на разреждане) — напълно различни значения!
• Предполагане, че mAh = време на работа — трябва да знаете консумацията на ток (време на работа = mAh ÷ mA)
• Дълбоко разреждане на Li-ion под 20% — съкращава живота, номиналният капацитет ≠ използваем капацитет

Кулонът (C) е основната единица на SI за заряд. Дефинира се от ампера и секундата: 1 C = 1 A·s. Представките от пико до кило покриват всички практически диапазони.

• 1 C = 1 A·s (точна дефиниция)
• mC, µC, nC за малки заряди
• pC, fC, aC за квантови/прецизни работи
• kC за големи промишлени системи

Ампер-час (Ah) и милиампер-час (mAh) са стандартни за батерии. Практични, защото се отнасят пряко до консумацията на ток и времето на работа. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — смартфони, таблети, слушалки
• Ah — лаптопи, електроинструменти, автомобилни акумулатори
• kAh — електрически превозни средства, промишлени UPS
• Wh — енергиен капацитет (зависим от напрежението)

Елементарният заряд (e) е фундаментална единица във физиката. Константата на Фарадей в химията. Единиците CGS (статкулон, абкулон) в стари учебници.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (елементарен заряд)
• F = 96,485 C (константа на Фарадей)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Целият заряд е квантуван в кратни на елементарния заряд e. Не можете да имате 1.5 електрона. Кварките имат дробен заряд (⅓e, ⅔e), но никога не съществуват самостоятелно.

• Най-малък свободен заряд: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Електрон: -1e, Протон: +1e
• Всички обекти имат заряд N×e (цяло число N)
• Опитът с маслена капка на Миликан доказва квантуването (1909)

1 мол електрони носи 96,485 C заряд. Нарича се константа на Фарадей (F). Фундаментална за електрохимията и химията на батериите.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 мол e⁻ = 6.022×10²³ електрона
• Използва се в изчисления за електролиза
• Свързва заряда с химичните реакции

Сила между заряди: F = k(q₁q₂/r²). Едноименните заряди се отблъскват, разноименните се привличат. Фундаментална сила на природата. Обяснява цялата химия и електроника.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (произведение на зарядите)
• F ∝ 1/r² (закон за обратните квадрати)
• Обяснява атомната структура, връзките

Всяко устройство, захранвано от батерия, има рейтинг на капацитета. Смартфони: 2500-5000 mAh. Лаптопи: 40-100 Wh. Външни батерии: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (ограничение на авиокомпаниите)
• AirPods: ~500 mAh (комбинирано)
• Външна батерия: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Батериите на ЕПС се оценяват в kWh (енергия), но капацитетът е kAh при напрежението на пакета. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Огромно в сравнение с телефоните!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Зареждане на ЕПС: 50-350 kW DC бързо
• Домашно зареждане: ~7 kW (32A @ 220V)

Галванопластика, електролиза, кондензаторни банки, UPS системи - всички включват големи трансфери на заряд. Промишлен UPS: 100+ kAh капацитет. Суперкондензатори: фаради (C/V).

• Галванопластика: процеси 10-1000 Ah
• Промишлен UPS: 100+ kAh резерв
• Суперкондензатор: 3000 F = 3000 C/V
• Мълния: ~15 C типично

Умножете mAh по 3.6, за да получите кулони. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (точно)
• 1 Ah = 3600 C
• Бързо: mAh × 3.6 → C
• Пример: 3000 mAh = 10,800 C

Разделете mAh на ~270 за Wh при 3.7V Li-ion напрежение.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• При 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Напрежението има значение за енергията!

Време на работа (ч) = Батерия (mAh) ÷ Ток (mA). 3000 mAh при 300 mA = 10 часа.

• Време на работа = Капацитет ÷ Ток
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 ч
• По-висок ток = по-кратко време на работа
• Загуби от ефективност: очаквайте 80-90%

3500 mAh батерия. Приложение използва 350 mA. Колко време до изтощаване?

Време на работа = Капацитет ÷ Ток = 3500 ÷ 350 = 10 часа (идеално). Реално: ~8-9ч (загуби от ефективност).

20,000 mAh външна батерия. Зареждане на 3,000 mAh телефон. Колко пълни зареждания?

Отчетете ефективността (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 ефективни. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 зареждания.

Отложете 1 мол мед (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Колко кулона?

2 мола e⁻ на мол Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

Тялото ви има ~10²⁸ протона и равен брой електрони. Ако загубите 0.01% от електроните, ще почувствате 10⁹ нютона отблъскване—достатъчно, за да смачка сгради!

Мълния: само ~15 C заряд, но 1 милиард волта! Енергия = Q×V, така че 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Това са 4.2 MWh—може да захранва дома ви месеци!

Класическа научна демонстрация натрупва заряд до милиони волта. Общ заряд? Само ~10 µC. Шокиращо, но безопасно—нисък ток. Напрежението ≠ опасност, токът убива.

Автомобилен акумулатор: 60 Ah = 216,000 C, освобождава се за часове. Суперкондензатор: 3000 F = 3000 C/V, освобождава се за секунди. Плътност на енергията срещу плътност на мощността.

1909: Миликан измерва елементарния заряд, като наблюдава падащи заредени маслени капки. Открива e = 1.592×10⁻¹⁹ C (съвременно: 1.602). Печели Нобелова награда през 1923 г.

Квантуването на заряда на електрона е толкова прецизно, че се използва за дефиниране на стандарта за съпротивление. Точност: 1 част на 10⁹. Фундаменталните константи дефинират всички единици от 2019 г. насам.

mAh измерва заряд (колко електрона). Wh измерва енергия (заряд × напрежение). Същият mAh при различни напрежения = различна енергия. Използвайте Wh, за да сравнявате батерии с различни напрежения. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Номиналният капацитет е номинален, а не използваем. Li-ion: разрежда се от 4.2V (пълна) до 3.0V (празна), но спирането на 20% запазва живота. Загуби от преобразуване, топлина и стареене намаляват ефективния капацитет. Очаквайте 80-90% от номиналния.

Не е просто съотношение на капацитетите. 20,000 mAh външна батерия: ~70-80% ефективна (преобразуване на напрежение, топлина). Ефективен капацитет: 16,000 mAh. За 3,000 mAh телефон: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 зареждания. В реалния свят: 4-5.

Елементарният заряд (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) е зарядът на един протон или електрон. Целият заряд е квантуван в кратни на e. Фундаментален за квантовата механика, дефинира константата на фината структура. От 2019 г. e е точен по дефиниция.

Да! Отрицателен заряд означава излишък от електрони, положителен означава недостиг. Общият заряд е алгебричен (може да се неутрализира). Електрони: -e. Протони: +e. Обекти: обикновено почти неутрални (равни + и -). Едноименните заряди се отблъскват, разноименните се привличат.

Li-ion: химичните реакции бавно разграждат материалите на електродите. Всеки цикъл на зареждане причинява малки необратими промени. Дълбокото разреждане (<20%), високата температура, бързото зареждане ускоряват стареенето. Съвременни батерии: 500-1000 цикъла до 80% капацитет.