Το ηλεκτρικό φορτίο είναι η φυσική ιδιότητα που κάνει τα σωματίδια να υφίστανται ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Υπάρχει σε θετική και αρνητική μορφή. Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, τα ετερώνυμα έλκονται. Θεμελιώδες για όλη τη χημεία και την ηλεκτρονική.

• 1 κουλόμπ = 6.24×10¹⁸ ηλεκτρόνια
• Πρωτόνιο: +1e, Ηλεκτρόνιο: -1e
• Το φορτίο διατηρείται (ποτέ δεν δημιουργείται/καταστρέφεται)
• Κβαντισμένο σε πολλαπλάσια του e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Το ρεύμα (I) είναι ο ρυθμός ροής του φορτίου. Q = I × t. 1 αμπέρ = 1 κουλόμπ ανά δευτερόλεπτο. Η χωρητικότητα της μπαταρίας σε Ah είναι φορτίο, όχι ρεύμα. 1 Ah = 3600 C.

• Ρεύμα = φορτίο ανά χρόνο (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (ορισμός)
• 1 Ah = 3600 C (1 αμπέρ για 1 ώρα)
• Το mAh είναι χωρητικότητα φορτίου, όχι ισχύς

Οι μπαταρίες αποθηκεύουν φορτίο. Αξιολογούνται σε Ah ή mAh (φορτίο) ή Wh (ενέργεια). Wh = Ah × Τάση. Μπαταρία τηλεφώνου: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Η τάση έχει σημασία για την ενέργεια, όχι για το φορτίο.

• mAh = μιλιαμπερώριο (φορτίο)
• Wh = βατώρα (ενέργεια = φορτίο × τάση)
• Υψηλότερο mAh = μεγαλύτερος χρόνος λειτουργίας (ίδια τάση)
• 3000 mAh ≈ 10,800 κουλόμπ

Πριν από την ποσοτική κατανόηση του φορτίου, οι επιστήμονες εξερεύνησαν τον στατικό ηλεκτρισμό και το μυστηριώδες «ηλεκτρικό ρευστό». Η εφεύρεση των μπαταριών επέτρεψε την ακριβή μέτρηση της συνεχούς ροής φορτίου.

• 1600: Ο Γουίλιαμ Γκίλμπερτ διακρίνει τον ηλεκτρισμό από τον μαγνητισμό, επινοεί τον όρο «ηλεκτρικός»
• 1733: Ο Σαρλ ντυ Φε ανακαλύπτει δύο είδη ηλεκτρισμού (θετικό και αρνητικό)
• 1745: Εφευρίσκεται η λουγδουνική φιάλη — ο πρώτος πυκνωτής, αποθηκεύει μετρήσιμο φορτίο
• 1785: Ο Κουλόμπ δημοσιεύει τον νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου F = k(q₁q₂/r²) για την ηλεκτρική δύναμη
• 1800: Ο Βόλτα εφευρίσκει την μπαταρία — επιτρέπει συνεχή, μετρήσιμη ροή φορτίου
• 1833: Ο Φάραντεϊ ανακαλύπτει τους νόμους της ηλεκτρόλυσης — συνδέει το φορτίο με τη χημεία (σταθερά Φάραντεϊ)

Το κουλόμπ εξελίχθηκε από πρακτικούς ορισμούς βασισμένους σε ηλεκτροχημικά πρότυπα στον σύγχρονο ορισμό που συνδέεται με το αμπέρ και το δευτερόλεπτο.

• 1881: Πρώτος πρακτικός ορισμός του κουλόμπ μέσω προτύπου ηλεκτρεπιμετάλλωσης αργύρου
• 1893: Η Παγκόσμια Έκθεση του Σικάγο τυποποιεί το κουλόμπ για διεθνή χρήση
• 1948: Η CGPM ορίζει το κουλόμπ ως 1 αμπεροδευτερόλεπτο (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Το αμπέρ οριζόταν από τη δύναμη μεταξύ παράλληλων αγωγών, καθιστώντας το κουλόμπ έμμεσο
• Πρόβλημα: Ο ορισμός του αμπέρ που βασιζόταν στη δύναμη ήταν δύσκολο να υλοποιηθεί με υψηλή ακρίβεια
• Δεκαετίες 1990-2010: Η κβαντική μετρολογία (φαινόμενο Τζόζεφσον, κβαντικό φαινόμενο Χολ) επιτρέπει την καταμέτρηση ηλεκτρονίων

Στις 20 Μαΐου 2019, το στοιχειώδες φορτίο καθορίστηκε ακριβώς, επαναπροσδιορίζοντας το αμπέρ και καθιστώντας το κουλόμπ αναπαραγώγιμο από θεμελιώδεις σταθερές.

• Νέος ορισμός: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C ακριβώς (μηδενική αβεβαιότητα εξ ορισμού)
• Το στοιχειώδες φορτίο είναι τώρα μια καθορισμένη σταθερά, όχι μια μετρούμενη τιμή
• 1 κουλόμπ = 6.241509074 × 10¹⁸ στοιχειώδη φορτία (ακριβώς)
• Συσκευές σήραγγας ενός ηλεκτρονίου μπορούν να μετρούν ηλεκτρόνια ένα προς ένα για ακριβή πρότυπα φορτίου
• Τρίγωνο κβαντικής μετρολογίας: τάση (Τζόζεφσον), αντίσταση (κβαντικό Χολ), ρεύμα (αντλία ηλεκτρονίων)
• Αποτέλεσμα: Οποιοδήποτε εργαστήριο με κβαντικό εξοπλισμό μπορεί να υλοποιήσει το κουλόμπ ανεξάρτητα

Ο επαναπροσδιορισμός του 2019 αντιπροσωπεύει πάνω από 135 χρόνια προόδου από τα ηλεκτροχημικά πρότυπα στην κβαντική ακρίβεια, επιτρέποντας την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών και αποθήκευσης ενέργειας.

• Τεχνολογία μπαταριών: Πιο ακριβείς μετρήσεις χωρητικότητας για ηλεκτρικά οχήματα, αποθήκευση δικτύου
• Κβαντική υπολογιστική: Ακριβής έλεγχος φορτίου σε qubits και τρανζίστορ ενός ηλεκτρονίου
• Μετρολογία: Τα εθνικά εργαστήρια μπορούν να υλοποιήσουν ανεξάρτητα το κουλόμπ χωρίς πρότυπα αναφοράς
• Χημεία: Η σταθερά Φάραντεϊ είναι τώρα ακριβής, βελτιώνει τους υπολογισμούς της ηλεκτροχημείας
• Καταναλωτικά ηλεκτρονικά: Καλύτερα πρότυπα για τις αξιολογήσεις χωρητικότητας μπαταριών και τα πρωτόκολλα γρήγορης φόρτισης

• Συντόμευση mAh σε C: Πολλαπλασιάστε με 3.6 → 1000 mAh = 3600 C ακριβώς
• Ah σε C: Πολλαπλασιάστε με 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 αμπέρ για 1 ώρα)
• Γρήγορα mAh σε Wh (3.7V): Διαιρέστε με ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh σε mAh (3.7V): Πολλαπλασιάστε με ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Στοιχειώδες φορτίο: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (στρογγυλοποιημένο από 1.602)
• Σταθερά Φάραντεϊ: F ≈ 96,500 C/mol (στρογγυλοποιημένο από 96,485)

Η κατανόηση των αξιολογήσεων των μπαταριών αποτρέπει τη σύγχυση μεταξύ φορτίου (mAh), τάσης (V) και ενέργειας (Wh). Αυτοί οι κανόνες εξοικονομούν χρόνο και χρήμα.

• Το mAh μετρά ΦΟΡΤΙΟ, όχι ισχύ ή ενέργεια — είναι πόσα ηλεκτρόνια μπορείτε να μετακινήσετε
• Για να λάβετε ενέργεια: Wh = mAh × V ÷ 1000 (η τάση είναι κρίσιμη!)
• Το ίδιο mAh σε διαφορετικές τάσεις = διαφορετική ενέργεια (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Power banks: Αναμένετε 70-80% ωφέλιμη χωρητικότητα (απώλειες μετατροπής τάσης)
• Χρόνος λειτουργίας = Χωρητικότητα ÷ Ρεύμα: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 ώρες (ιδανικά, προσθέστε 20% περιθώριο)
• Τυπικό Li-ion: 3.7V ονομαστική, 4.2V πλήρης, 3.0V άδεια (ωφέλιμο εύρος ~80%)

• Φορτίο από ρεύμα: Q = I × t (κουλόμπ = αμπέρ × δευτερόλεπτα)
• Χρόνος λειτουργίας: t = Q / I (ώρες = αμπερώρια / αμπέρ)
• Ενέργεια από φορτίο: E = Q × V (βατώρες = αμπερώρια × βολτ)
• Προσαρμοσμένο για απόδοση: Ωφέλιμο = Ονομαστικό × 0.8 (υπολογίστε τις απώλειες)
• Ηλεκτρόλυση: Q = n × F (κουλόμπ = γραμμομόρια ηλεκτρονίων × σταθερά Φάραντεϊ)
• Ενέργεια πυκνωτή: E = ½CV² (τζάουλ = ½ φαράντ × βολτ²)

• Σύγχυση mAh με mWh — φορτίο έναντι ενέργειας (χρειάζεται τάση για μετατροπή!)
• Παράβλεψη της τάσης κατά τη σύγκριση μπαταριών — χρησιμοποιήστε Wh για σύγκριση ενέργειας
• Αναμονή 100% απόδοσης του power bank — 20-30% χάνεται σε θερμότητα και μετατροπή τάσης
• Σύγχυση του C (κουλόμπ) με το C (ρυθμός εκφόρτισης) — εντελώς διαφορετικές έννοιες!
• Υπόθεση ότι mAh = χρόνος λειτουργίας — πρέπει να γνωρίζετε την κατανάλωση ρεύματος (χρόνος λειτουργίας = mAh ÷ mA)
• Βαθιά εκφόρτιση Li-ion κάτω από 20% — μειώνει τη διάρκεια ζωής, ονομαστική χωρητικότητα ≠ ωφέλιμη χωρητικότητα

Το κουλόμπ (C) είναι η βασική μονάδα του SI για το φορτίο. Ορίζεται από το αμπέρ και το δευτερόλεπτο: 1 C = 1 A·s. Τα προθέματα από πίκο έως κίλο καλύπτουν όλα τα πρακτικά εύρη.

• 1 C = 1 A·s (ακριβής ορισμός)
• mC, µC, nC για μικρά φορτία
• pC, fC, aC για κβαντική/ακριβή εργασία
• kC για μεγάλα βιομηχανικά συστήματα

Το αμπερώριο (Ah) και το μιλιαμπερώριο (mAh) είναι τα πρότυπα για τις μπαταρίες. Είναι πρακτικά επειδή σχετίζονται άμεσα με την κατανάλωση ρεύματος και τον χρόνο λειτουργίας. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — smartphones, tablets, ακουστικά
• Ah — φορητοί υπολογιστές, ηλεκτρικά εργαλεία, μπαταρίες αυτοκινήτων
• kAh — ηλεκτρικά οχήματα, βιομηχανικά UPS
• Wh — ενεργειακή χωρητικότητα (εξαρτώμενη από την τάση)

Το στοιχειώδες φορτίο (e) είναι θεμελιώδης μονάδα στη φυσική. Η σταθερά Φάραντεϊ στη χημεία. Οι μονάδες CGS (στατοκουλόμπ, αβκουλόμπ) σε παλιά εγχειρίδια.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (στοιχειώδες φορτίο)
• F = 96,485 C (σταθερά Φάραντεϊ)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Όλο το φορτίο είναι κβαντισμένο σε πολλαπλάσια του στοιχειώδους φορτίου e. Δεν μπορείτε να έχετε 1,5 ηλεκτρόνια. Τα κουάρκ έχουν κλασματικό φορτίο (⅓e, ⅔e) αλλά δεν υπάρχουν ποτέ μόνα τους.

• Μικρότερο ελεύθερο φορτίο: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Ηλεκτρόνιο: -1e, Πρωτόνιο: +1e
• Όλα τα αντικείμενα έχουν φορτίο N×e (ακέραιος N)
• Το πείραμα της σταγόνας λαδιού του Μίλικαν απέδειξε την κβάντωση (1909)

1 γραμμομόριο ηλεκτρονίων φέρει φορτίο 96.485 C. Ονομάζεται σταθερά Φάραντεϊ (F). Θεμελιώδης για την ηλεκτροχημεία και τη χημεία των μπαταριών.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mol e⁻ = 6.022×10²³ ηλεκτρόνια
• Χρησιμοποιείται σε υπολογισμούς ηλεκτρόλυσης
• Συσχετίζει το φορτίο με τις χημικές αντιδράσεις

Δύναμη μεταξύ φορτίων: F = k(q₁q₂/r²). Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, τα ετερώνυμα έλκονται. Θεμελιώδης δύναμη της φύσης. Εξηγεί όλη τη χημεία και την ηλεκτρονική.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (γινόμενο των φορτίων)
• F ∝ 1/r² (νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου)
• Εξηγεί την ατομική δομή, τους δεσμούς

Κάθε συσκευή που λειτουργεί με μπαταρία έχει μια αξιολόγηση χωρητικότητας. Smartphones: 2500-5000 mAh. Φορητοί υπολογιστές: 40-100 Wh. Power banks: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (όριο αεροπορικής εταιρείας)
• AirPods: ~500 mAh (συνδυαστικά)
• Power bank: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Οι μπαταρίες των ΗΟ αξιολογούνται σε kWh (ενέργεια), αλλά η χωρητικότητα είναι kAh στην τάση του πακέτου. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Τεράστιο σε σύγκριση με τα τηλέφωνα!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Φόρτιση ΗΟ: 50-350 kW DC γρήγορη
• Οικιακή φόρτιση: ~7 kW (32A @ 220V)

Ηλεκτρεπιμετάλλωση, ηλεκτρόλυση, συστοιχίες πυκνωτών, συστήματα UPS, όλα περιλαμβάνουν μεγάλες μεταφορές φορτίου. Βιομηχανικό UPS: χωρητικότητα 100+ kAh. Υπερπυκνωτές: φαράντ (C/V).

• Ηλεκτρεπιμετάλλωση: διαδικασίες 10-1000 Ah
• Βιομηχανικό UPS: 100+ kAh εφεδρεία
• Υπερπυκνωτής: 3000 F = 3000 C/V
• Κεραυνός: ~15 C τυπικά

Πολλαπλασιάστε τα mAh με 3.6 για να πάρετε κουλόμπ. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (ακριβώς)
• 1 Ah = 3600 C
• Γρήγορα: mAh × 3.6 → C
• Παράδειγμα: 3000 mAh = 10,800 C

Διαιρέστε τα mAh με ~270 για Wh σε τάση Li-ion 3.7V.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Σε 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Η τάση έχει σημασία για την ενέργεια!

Χρόνος λειτουργίας (h) = Μπαταρία (mAh) ÷ Ρεύμα (mA). 3000 mAh σε 300 mA = 10 ώρες.

• Χρόνος λειτουργίας = Χωρητικότητα ÷ Ρεύμα
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Υψηλότερο ρεύμα = μικρότερος χρόνος λειτουργίας
• Απώλειες απόδοσης: αναμένετε 80-90%

Μπαταρία 3500 mAh. Εφαρμογή χρησιμοποιεί 350 mA. Πόσο χρόνο μέχρι να αδειάσει;

Χρόνος λειτουργίας = Χωρητικότητα ÷ Ρεύμα = 3500 ÷ 350 = 10 ώρες (ιδανικά). Πραγματικά: ~8-9 ώρες (απώλειες απόδοσης).

Power bank 20,000 mAh. Φόρτιση τηλεφώνου 3,000 mAh. Πόσες πλήρεις φορτίσεις;

Υπολογίστε την απόδοση (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 ωφέλιμα. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 φορτίσεις.

Αποθέστε 1 mol χαλκού (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Πόσα κουλόμπ;

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

Το σώμα σας έχει ~10²⁸ πρωτόνια και ίσο αριθμό ηλεκτρονίων. Αν χάνατε το 0.01% των ηλεκτρονίων, θα νιώθατε 10⁹ νιούτον απώθησης—αρκετή για να συντρίψει κτίρια!

Ένας κεραυνός: μόνο ~15 C φορτίο, αλλά 1 δισεκατομμύριο βολτ! Ενέργεια = Q×V, άρα 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Αυτό είναι 4.2 MWh—θα μπορούσε να τροφοδοτήσει το σπίτι σας για μήνες!

Η κλασική επιστημονική επίδειξη συσσωρεύει φορτίο εκατομμυρίων βολτ. Συνολικό φορτίο; Μόνο ~10 µC. Σοκαριστικό αλλά ασφαλές—χαμηλό ρεύμα. Η τάση ≠ κίνδυνος, το ρεύμα σκοτώνει.

Μπαταρία αυτοκινήτου: 60 Ah = 216,000 C, απελευθερώνεται σε ώρες. Υπερπυκνωτής: 3000 F = 3000 C/V, απελευθερώνεται σε δευτερόλεπτα. Πυκνότητα ενέργειας έναντι πυκνότητας ισχύος.

1909: Ο Μίλικαν μέτρησε το στοιχειώδες φορτίο παρακολουθώντας φορτισμένες σταγόνες λαδιού να πέφτουν. Βρήκε e = 1.592×10⁻¹⁹ C (σύγχρονο: 1.602). Κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1923.

Η κβάντωση του φορτίου του ηλεκτρονίου είναι τόσο ακριβής, που χρησιμοποιείται για τον ορισμό του προτύπου αντίστασης. Ακρίβεια: 1 μέρος στα 10⁹. Οι θεμελιώδεις σταθερές ορίζουν όλες τις μονάδες από το 2019.

Το mAh μετρά το φορτίο (πόσα ηλεκτρόνια). Το Wh μετρά την ενέργεια (φορτίο × τάση). Το ίδιο mAh σε διαφορετικές τάσεις = διαφορετική ενέργεια. Χρησιμοποιήστε Wh για να συγκρίνετε μπαταρίες σε διαφορετικές τάσεις. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Η ονομαστική χωρητικότητα δεν είναι η ωφέλιμη χωρητικότητα. Li-ion: εκφορτίζεται από 4.2V (πλήρης) σε 3.0V (άδεια), αλλά η διακοπή στο 20% διατηρεί τη διάρκεια ζωής. Οι απώλειες μετατροπής, η θερμότητα και η γήρανση μειώνουν την πραγματική χωρητικότητα. Αναμένετε 80-90% της ονομαστικής.

Δεν είναι απλώς μια αναλογία χωρητικότητας. Ένα power bank 20,000 mAh: ~70-80% αποδοτικό (μετατροπή τάσης, θερμότητα). Ωφέλιμη: 16,000 mAh. Για ένα τηλέφωνο 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 φορτίσεις. Στην πραγματικότητα: 4-5.

Το στοιχειώδες φορτίο (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) είναι το φορτίο ενός πρωτονίου ή ηλεκτρονίου. Όλο το φορτίο είναι κβαντισμένο σε πολλαπλάσια του e. Θεμελιώδες για την κβαντομηχανική, ορίζει τη σταθερά λεπτής υφής. Από το 2019, το e είναι ακριβές εξ ορισμού.

Ναι! Το αρνητικό φορτίο σημαίνει περίσσεια ηλεκτρονίων, το θετικό σημαίνει έλλειμμα. Το συνολικό φορτίο είναι αλγεβρικό (μπορεί να αλληλοεξουδετερωθεί). Ηλεκτρόνια: -e. Πρωτόνια: +e. Αντικείμενα: συνήθως σχεδόν ουδέτερα (ίσος αριθμός + και -). Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, τα ετερώνυμα έλκονται.

Li-ion: οι χημικές αντιδράσεις υποβαθμίζουν αργά τα υλικά των ηλεκτροδίων. Κάθε κύκλος φόρτισης προκαλεί μικρές μη αναστρέψιμες αλλαγές. Η βαθιά εκφόρτιση (<20%), η υψηλή θερμοκρασία, η γρήγορη φόρτιση επιταχύνουν τη γήρανση. Σύγχρονες μπαταρίες: 500-1000 κύκλοι στο 80% της χωρητικότητας.