مبدل بار الکتریکی
بار الکتریکی — از الکترونها تا باتریها
واحدهای بار الکتریکی را در فیزیک، شیمی و الکترونیک فرا بگیرید. از کولن تا ظرفیت باتری در گسترهای ۴۰ مرتبهای — از تک الکترونها تا بانکهای باتری صنعتی. بازتعریف SI در سال ۲۰۱۹ را که بار بنیادی را دقیق کرد، کاوش کنید و بفهمید رتبهبندی باتریها واقعاً به چه معناست.
مبانی بار الکتریکی
بار چیست؟
بار الکتریکی خاصیت فیزیکی است که باعث میشود ذرات نیروی الکترومغناطیسی را تجربه کنند. به صورت مثبت و منفی وجود دارد. بارهای همنام یکدیگر را دفع میکنند، بارهای غیر همنام یکدیگر را جذب میکنند. برای تمام شیمی و الکترونیک بنیادی است.
- ۱ کولن = 6.24×10¹⁸ الکترون
- پروتون: +1e، الکترون: -1e
- بار پایسته است (هرگز ایجاد یا از بین نمیرود)
- کوانتیزه شده در مضربهایی از e = 1.602×10⁻¹⁹ C
جریان در مقابل بار
جریان (I) نرخ جریان بار است. Q = I × t. ۱ آمپر = ۱ کولن در ثانیه. ظرفیت باتری بر حسب Ah بار است، نه جریان. ۱ Ah = ۳۶۰۰ C.
- جریان = بار بر زمان (I = Q/t)
- ۱ A = ۱ C/s (تعریف)
- ۱ Ah = ۳۶۰۰ C (۱ آمپر برای ۱ ساعت)
- mAh ظرفیت بار است، نه توان
ظرفیت باتری
باتریها بار را ذخیره میکنند. بر حسب Ah یا mAh (بار) یا Wh (انرژی) رتبهبندی میشوند. Wh = Ah × ولتاژ. باتری گوشی: ۳۰۰۰ mAh @ ۳.۷V ≈ ۱۱ Wh. ولتاژ برای انرژی مهم است، نه برای بار.
- mAh = میلیآمپر-ساعت (بار)
- Wh = وات-ساعت (انرژی = بار × ولتاژ)
- mAh بالاتر = زمان کار طولانیتر (ولتاژ یکسان)
- ۳۰۰۰ mAh ≈ ۱۰,۸۰۰ کولن
- ۱ کولن = بار 6.24×10¹⁸ الکترون
- جریان (A) = بار (C) بر ثانیه: I = Q/t
- ۱ Ah = ۳۶۰۰ C (جریان ۱ آمپر برای ۱ ساعت)
- بار پایسته و کوانتیزه شده در مضربهایی از e است
تکامل تاریخی اندازهگیری بار
علم الکتریسیته اولیه (۱۶۰۰-۱۸۳۰)
قبل از درک کمی بار، دانشمندان الکتریسیته ساکن و «سیال الکتریکی» مرموز را بررسی میکردند. اختراع باتریها امکان اندازهگیری دقیق جریان پیوسته بار را فراهم کرد.
- ۱۶۰۰: ویلیام گیلبرت الکتریسیته را از مغناطیس متمایز میکند و اصطلاح «الکتریکی» را ابداع میکند
- ۱۷۳۳: شارل دو فی دو نوع الکتریسیته (مثبت و منفی) را کشف میکند
- ۱۷۴۵: بطری لیدن اختراع شد — اولین خازن، بار قابل اندازهگیری را ذخیره میکند
- ۱۷۸۵: کولن قانون مربع معکوس F = k(q₁q₂/r²) را برای نیروی الکتریکی منتشر میکند
- ۱۸۰۰: ولتا باتری را اختراع میکند — جریان بار پیوسته و قابل اندازهگیری را امکانپذیر میسازد
- ۱۸۳۳: فارادی قوانین الکترولیز را کشف میکند — بار را به شیمی مرتبط میکند (ثابت فارادی)
تکامل کولن (۱۸۸۱-۲۰۱۹)
کولن از تعاریف عملی مبتنی بر استانداردهای الکتروشیمیایی به تعریف مدرن مرتبط با آمپر و ثانیه تکامل یافت.
- ۱۸۸۱: اولین کولن عملی از طریق استاندارد آبکاری نقره تعریف شد
- ۱۸۹۳: نمایشگاه جهانی شیکاگو کولن را برای استفاده بینالمللی استاندارد کرد
- ۱۹۴۸: CGPM کولن را به عنوان ۱ آمپر-ثانیه (۱ C = ۱ A·s) تعریف کرد
- ۱۹۶۰-۲۰۱۸: آمپر با نیروی بین هادیهای موازی تعریف شد و کولن را غیرمستقیم ساخت
- مشکل: تحقق تعریف آمپر مبتنی بر نیرو با دقت بالا دشوار بود
- دهههای ۱۹۹۰-۲۰۱۰: مترولوژی کوانتومی (اثر جوزفسون، اثر هال کوانتومی) شمارش الکترونها را امکانپذیر ساخت
انقلاب SI ۲۰۱۹ — بار بنیادی ثابت شد
در ۲۰ مه ۲۰۱۹، بار بنیادی به طور دقیق ثابت شد و آمپر را بازتعریف کرد و کولن را از طریق ثابتهای بنیادی قابل بازتولید ساخت.
- تعریف جدید: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C دقیقاً (عدم قطعیت صفر طبق تعریف)
- بار بنیادی اکنون یک ثابت تعریف شده است، نه یک مقدار اندازهگیری شده
- ۱ کولن = 6.241509074 × 10¹⁸ بار بنیادی (دقیق)
- دستگاههای تونلزنی تک الکترونی میتوانند الکترونها را برای استانداردهای دقیق بار یک به یک بشمارند
- مثلث مترولوژی کوانتومی: ولتاژ (جوزفسون)، مقاومت (هال کوانتومی)، جریان (پمپ الکترون)
- نتیجه: هر آزمایشگاهی با تجهیزات کوانتومی میتواند کولن را به طور مستقل تحقق بخشد
چرا این موضوع امروز اهمیت دارد
بازتعریف سال ۲۰۱۹ نشاندهنده بیش از ۱۳۵ سال پیشرفت از استانداردهای الکتروشیمیایی تا دقت کوانتومی است که نسل بعدی الکترونیک و ذخیرهسازی انرژی را امکانپذیر میسازد.
- فناوری باتری: اندازهگیری دقیقتر ظرفیت برای وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیرهسازی شبکه
- محاسبات کوانتومی: کنترل دقیق بار در کیوبیتها و ترانزیستورهای تک الکترونی
- مترولوژی: آزمایشگاههای ملی میتوانند کولن را به طور مستقل و بدون نیاز به مصنوعات مرجع تحقق بخشند
- شیمی: ثابت فارادی اکنون دقیق است و محاسبات الکتروشیمی را بهبود میبخشد
- الکترونیک مصرفی: استانداردهای بهتر برای رتبهبندی ظرفیت باتری و پروتکلهای شارژ سریع
کمکهای حافظه و ترفندهای سریع تبدیل
محاسبات ذهنی آسان
- میانبر mAh به C: در ۳.۶ ضرب کنید ← ۱۰۰۰ mAh = ۳۶۰۰ C دقیقاً
- Ah به C: در ۳۶۰۰ ضرب کنید ← ۱ Ah = ۳۶۰۰ C (۱ آمپر برای ۱ ساعت)
- سریع mAh به Wh (۳.۷ ولت): بر ~۲۷۰ تقسیم کنید ← ۳۰۰۰ mAh ≈ ۱۱ Wh
- Wh به mAh (۳.۷ ولت): در ~۲۷۰ ضرب کنید ← ۱۱ Wh ≈ ۲۹۷۰ mAh
- بار بنیادی: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (گرد شده از ۱.۶۰۲)
- ثابت فارادی: F ≈ 96,500 C/mol (گرد شده از ۹۶,۴۸۵)
کمکهای حافظه برای ظرفیت باتری
درک رتبهبندی باتریها از سردرگمی بین بار (mAh)، ولتاژ (V) و انرژی (Wh) جلوگیری میکند. این قوانین در وقت و هزینه صرفهجویی میکنند.
- mAh بار را اندازهگیری میکند، نه توان یا انرژی را — این تعداد الکترونی است که میتوانید جابجا کنید
- برای به دست آوردن انرژی: Wh = mAh × V ÷ ۱۰۰۰ (ولتاژ حیاتی است!)
- mAh یکسان در ولتاژهای مختلف = انرژی متفاوت (۱۲V ۱۰۰۰mAh ≠ ۳.۷V ۱۰۰۰mAh)
- پاور بانکها: انتظار ۷۰-۸۰٪ ظرفیت قابل استفاده را داشته باشید (تلفات تبدیل ولتاژ)
- زمان کار = ظرفیت ÷ جریان: ۳۰۰۰ mAh ÷ ۳۰۰ mA = ۱۰ ساعت (ایدهآل، ۲۰٪ حاشیه اضافه کنید)
- معمولی لیتیوم-یون: ۳.۷ ولت اسمی، ۴.۲ ولت کامل، ۳.۰ ولت خالی (محدوده قابل استفاده ~۸۰٪)
فرمولهای عملی
- بار از جریان: Q = I × t (کولن = آمپر × ثانیه)
- زمان کار: t = Q / I (ساعت = آمپر-ساعت / آمپر)
- انرژی از بار: E = Q × V (وات-ساعت = آمپر-ساعت × ولت)
- تنظیم شده با بازده: قابل استفاده = نامی × ۰.۸ (تلفات را در نظر بگیرید)
- الکترولیز: Q = n × F (کولن = مول الکترون × ثابت فارادی)
- انرژی خازن: E = ½CV² (ژول = ½ فاراد × ولت²)
اشتباهات رایج برای اجتناب
- اشتباه گرفتن mAh با mWh — بار در مقابل انرژی (برای تبدیل به ولتاژ نیاز دارید!)
- نادیده گرفتن ولتاژ هنگام مقایسه باتریها — برای مقایسه انرژی از Wh استفاده کنید
- انتظار بازده ۱۰۰٪ از پاور بانک — ۲۰-۳۰٪ به دلیل گرما و تبدیل ولتاژ از بین میرود
- اشتباه گرفتن C (کولن) با C (نرخ تخلیه) — معانی کاملاً متفاوت!
- فرض کردن اینکه mAh = زمان کار — باید میزان مصرف جریان را بدانید (زمان کار = mAh ÷ mA)
- تخلیه عمیق لیتیوم-یون به زیر ۲۰٪ — عمر را کوتاه میکند، ظرفیت نامی ≠ ظرفیت قابل استفاده
مقیاس بار: از تک الکترونها تا ذخیرهسازی شبکه
| مقیاس / بار | واحدهای نماینده | کاربردهای رایج | مثالهای دنیای واقعی |
|---|---|---|---|
| 1.602 × 10⁻¹⁹ C | بار بنیادی (e) | تک الکترون/پروتون، فیزیک کوانتومی | کوانتوم بار بنیادی |
| ~10⁻¹⁸ C | آتوکولن (aC) | سیستمهای کوانتومی با چند الکترون، تونلزنی تک الکترونی | ≈ ۶ الکترون |
| ~10⁻¹² C | پیکوکولن (pC) | حسگرهای دقیق، نقاط کوانتومی، اندازهگیری جریانهای بسیار کم | ≈ ۶ میلیون الکترون |
| ~10⁻⁹ C | نانوکولن (nC) | سیگنالهای حسگر کوچک، الکترونیک دقیق | ≈ ۶ میلیارد الکترون |
| ~10⁻⁶ C | میکروکولن (µC) | الکتریسیته ساکن، خازنهای کوچک | شوک ساکن که میتوانید حس کنید (~۱ µC) |
| ~10⁻³ C | میلیکولن (mC) | خازنهای فلاش دوربین، آزمایشهای کوچک آزمایشگاهی | تخلیه خازن فلاش |
| ۱ C | کولن (C) | واحد پایه SI، رویدادهای الکتریکی متوسط | ≈ 6.24 × 10¹⁸ الکترون |
| ~۱۵ C | کولن (C) | صاعقهها، بانکهای خازنی بزرگ | صاعقه معمولی |
| ~10³ C | کیلوکولن (kC) | باتریهای کوچک مصرفی، شارژ گوشی هوشمند | باتری گوشی ۳۰۰۰ mAh ≈ ۱۰.۸ kC |
| ~10⁵ C | صدها kC | باتریهای لپتاپ، ثابت فارادی | ۱ فارادی = ۹۶,۴۸۵ C (۱ مول e⁻) |
| ~10⁶ C | مگاکولن (MC) | باتریهای خودرو، سیستمهای UPS صنعتی بزرگ | باتری خودرو ۶۰ Ah ≈ ۲۱۶ kC |
| ~10⁹ C | گیگاکولن (GC) | باتریهای وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیرهسازی شبکه | باتری Tesla Model 3 ≈ ۷۷۰ kC |
توضیح سیستمهای واحد
واحدهای SI — کولن
کولن (C) واحد پایه SI برای بار است. از آمپر و ثانیه تعریف میشود: ۱ C = ۱ A·s. پیشوندها از پیکو تا کیلو تمام محدودههای عملی را پوشش میدهند.
- ۱ C = ۱ A·s (تعریف دقیق)
- mC، µC، nC برای بارهای کوچک
- pC، fC، aC برای کارهای کوانتومی/دقیق
- kC برای سیستمهای صنعتی بزرگ
واحدهای ظرفیت باتری
آمپر-ساعت (Ah) و میلیآمپر-ساعت (mAh) برای باتریها استاندارد هستند. عملی هستند زیرا مستقیماً به مصرف جریان و زمان کار مربوط میشوند. ۱ Ah = ۳۶۰۰ C.
- mAh — گوشیهای هوشمند، تبلتها، ایربادها
- Ah — لپتاپها، ابزارهای برقی، باتریهای خودرو
- kAh — وسایل نقلیه الکتریکی، UPSهای صنعتی
- Wh — ظرفیت انرژی (وابسته به ولتاژ)
علمی و قدیمی
بار بنیادی (e) یک واحد بنیادی در فیزیک است. ثابت فارادی در شیمی. واحدهای CGS (استاتکولن، آبکولن) در کتابهای درسی قدیمی.
- e = 1.602×10⁻¹⁹ C (بار بنیادی)
- F = 96,485 C (ثابت فارادی)
- ۱ statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
- ۱ abC = 10 C (EMU)
فیزیک بار
کوانتیزه بودن بار
تمام بارها در مضربهایی از بار بنیادی e کوانتیزه شدهاند. شما نمیتوانید ۱.۵ الکترون داشته باشید. کوارکها بار کسری (⅓e، ⅔e) دارند اما هرگز به تنهایی وجود ندارند.
- کوچکترین بار آزاد: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
- الکترون: -1e، پروتون: +1e
- همه اجسام بار N×e دارند (N عدد صحیح)
- آزمایش قطره روغن میلیکان کوانتیزه بودن را ثابت کرد (۱۹۰۹)
ثابت فارادی
۱ مول الکترون بار ۹۶,۴۸۵ C را حمل میکند. این مقدار ثابت فارادی (F) نامیده میشود. برای الکتروشیمی و شیمی باتری بنیادی است.
- F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
- ۱ مول e⁻ = 6.022×10²³ الکترون
- در محاسبات الکترولیز استفاده میشود
- بار را به واکنشهای شیمیایی مرتبط میکند
قانون کولن
نیروی بین بارها: F = k(q₁q₂/r²). بارهای همنام یکدیگر را دفع میکنند، بارهای غیر همنام یکدیگر را جذب میکنند. نیروی بنیادی طبیعت. تمام شیمی و الکترونیک را توضیح میدهد.
- k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
- F ∝ q₁q₂ (حاصلضرب بارها)
- F ∝ 1/r² (قانون مربع معکوس)
- ساختار اتمی، پیوند را توضیح میدهد
معیارهای بار
| زمینه | بار | یادداشتها |
|---|---|---|
| تک الکترون | 1.602×10⁻¹⁹ C | بار بنیادی (e) |
| ۱ پیکوکولن | 10⁻¹² C | ≈ ۶ میلیون الکترون |
| ۱ نانوکولن | 10⁻⁹ C | ≈ ۶ میلیارد الکترون |
| شوک ساکن | ~۱ µC | برای حس کردن کافی است |
| باتری AAA (۶۰۰ mAh) | ۲,۱۶۰ C | @ ۱.۵V = ۰.۹ Wh |
| باتری گوشی هوشمند | ~۱۱,۰۰۰ C | ۳۰۰۰ mAh معمولی |
| باتری خودرو (۶۰ Ah) | ۲۱۶,۰۰۰ C | @ ۱۲V = ۷۲۰ Wh |
| صاعقه | ~۱۵ C | اما ۱ میلیارد ولت! |
| باتری Tesla (۲۱۴ Ah) | ۷۷۰,۴۰۰ C | @ ۳۵۰V = ۷۵ kWh |
| ۱ فارادی (۱ مول e⁻) | ۹۶,۴۸۵ C | استاندارد شیمی |
مقایسه ظرفیت باتری
| دستگاه | ظرفیت (mAh) | ولتاژ | انرژی (Wh) |
|---|---|---|---|
| AirPods (تک) | ۹۳ mAh | ۳.۷V | ۰.۳۴ Wh |
| Apple Watch | ۳۰۰ mAh | ۳.۸۵V | ۱.۲ Wh |
| iPhone 15 | ۳,۳۴۹ mAh | ۳.۸۵V | ۱۲.۹ Wh |
| iPad Pro 12.9" | ۱۰,۷۵۸ mAh | ۳.۷۷V | ۴۰.۶ Wh |
| MacBook Pro 16" | ۲۵,۶۴۱ mAh | ~۳.۹V | ۱۰۰ Wh |
| پاور بانک 20K | ۲۰,۰۰۰ mAh | ۳.۷V | ۷۴ Wh |
| Tesla Model 3 LR | ۲۱۴,۰۰۰ Ah | ۳۵۰V | ۷۵,۰۰۰ Wh |
کاربردهای دنیای واقعی
الکترونیک مصرفی
هر دستگاه باتریدار دارای رتبهبندی ظرفیت است. گوشیهای هوشمند: ۲۵۰۰-۵۰۰۰ mAh. لپتاپها: ۴۰-۱۰۰ Wh. پاور بانکها: ۱۰,۰۰۰-۳۰,۰۰۰ mAh.
- iPhone 15: ~۳,۳۴۹ mAh @ ۳.۸۵V ≈ ۱۳ Wh
- MacBook Pro: ~۱۰۰ Wh (محدودیت خطوط هوایی)
- AirPods: ~۵۰۰ mAh (ترکیبی)
- پاور بانک: ۲۰,۰۰۰ mAh @ ۳.۷V ≈ ۷۴ Wh
وسایل نقلیه الکتریکی
باتریهای EV بر حسب kWh (انرژی) رتبهبندی میشوند، اما ظرفیت بر حسب kAh در ولتاژ پک است. Tesla Model 3: ۷۵ kWh @ ۳۵۰V = ۲۱۴ Ah. در مقایسه با گوشیها بسیار بزرگ است!
- Tesla Model 3: ۷۵ kWh (۲۱۴ Ah @ ۳۵۰V)
- Nissan Leaf: ۴۰ kWh (۱۱۴ Ah @ ۳۵۰V)
- شارژ EV: ۵۰-۳۵۰ کیلووات DC سریع
- شارژ خانگی: ~۷ کیلووات (۳۲A @ ۲۲۰V)
صنعتی و آزمایشگاهی
آبکاری، الکترولیز، بانکهای خازنی، سیستمهای UPS همگی شامل انتقال بارهای بزرگ هستند. UPS صنعتی: ظرفیت بیش از ۱۰۰ kAh. ابرخازنها: فاراد (C/V).
- آبکاری: فرآیندهای ۱۰-۱۰۰۰ Ah
- UPS صنعتی: پشتیبان بیش از ۱۰۰ kAh
- ابرخازن: ۳۰۰۰ F = ۳۰۰۰ C/V
- صاعقه: ~۱۵ C معمولی
ریاضیات سریع تبدیل
mAh ↔ کولن
برای به دست آوردن کولن، mAh را در ۳.۶ ضرب کنید. ۱۰۰۰ mAh = ۳۶۰۰ C.
- ۱ mAh = ۳.۶ C (دقیق)
- ۱ Ah = ۳۶۰۰ C
- سریع: mAh × ۳.۶ → C
- مثال: ۳۰۰۰ mAh = ۱۰,۸۰۰ C
mAh ↔ Wh (در ۳.۷ ولت)
برای Wh در ولتاژ ۳.۷ ولت لیتیوم-یون، mAh را بر ~۲۷۰ تقسیم کنید.
- Wh = mAh × V ÷ ۱۰۰۰
- در ۳.۷ ولت: Wh ≈ mAh ÷ ۲۷۰
- ۳۰۰۰ mAh @ ۳.۷V = ۱۱.۱ Wh
- ولتاژ برای انرژی مهم است!
تخمین زمان کار
زمان کار (ساعت) = باتری (mAh) ÷ جریان (mA). ۳۰۰۰ mAh در ۳۰۰ mA = ۱۰ ساعت.
- زمان کار = ظرفیت ÷ جریان
- ۳۰۰۰ mAh ÷ ۳۰۰ mA = ۱۰ ساعت
- جریان بالاتر = زمان کار کوتاهتر
- تلفات بازده: انتظار ۸۰-۹۰٪ را داشته باشید
چگونه تبدیلها کار میکنند
- مرحله ۱: منبع را با استفاده از ضریب toBase به کولن تبدیل کنید
- مرحله ۲: کولن را با استفاده از ضریب toBase هدف به هدف تبدیل کنید
- جایگزین: از ضریب مستقیم استفاده کنید (mAh → Ah: تقسیم بر ۱۰۰۰)
- بررسی منطقی: ۱ Ah = ۳۶۰۰ C، ۱ mAh = ۳.۶ C
- برای انرژی: Wh = Ah × ولتاژ (وابسته به ولتاژ!)
مرجع تبدیلهای رایج
| از | به | ضرب در | مثال |
|---|---|---|---|
| C | mAh | ۰.۲۷۷۸ | ۳۶۰۰ C = ۱۰۰۰ mAh |
| mAh | C | ۳.۶ | ۱۰۰۰ mAh = ۳۶۰۰ C |
| Ah | C | ۳۶۰۰ | ۱ Ah = ۳۶۰۰ C |
| C | Ah | ۰.۰۰۰۲۷۷۸ | ۳۶۰۰ C = ۱ Ah |
| mAh | Ah | ۰.۰۰۱ | ۳۰۰۰ mAh = ۳ Ah |
| Ah | mAh | ۱۰۰۰ | ۲ Ah = ۲۰۰۰ mAh |
| mAh | Wh (۳.۷V) | ۰.۰۰۳۷ | ۳۰۰۰ mAh ≈ ۱۱.۱ Wh |
| Wh (۳.۷V) | mAh | ۲۷۰.۲۷ | ۱۱ Wh ≈ ۲۹۷۳ mAh |
| C | الکترونها | 6.242×10¹⁸ | ۱ C ≈ 6.24×10¹⁸ e |
| الکترونها | C | 1.602×10⁻¹⁹ | ۱ e = 1.602×10⁻¹⁹ C |
مثالهای سریع
مسائل حل شده
زمان کار باتری گوشی
باتری ۳۵۰۰ mAh. برنامه ۳۵۰ mA استفاده میکند. چقدر طول میکشد تا تمام شود؟
زمان کار = ظرفیت ÷ جریان = ۳۵۰۰ ÷ ۳۵۰ = ۱۰ ساعت (ایدهآل). واقعی: ~۸-۹ ساعت (تلفات بازده).
شارژهای پاور بانک
پاور بانک ۲۰,۰۰۰ mAh. گوشی ۳,۰۰۰ mAh را شارژ کنید. چند بار شارژ کامل؟
بازده را در نظر بگیرید (~۸۰٪): ۲۰,۰۰۰ × ۰.۸ = ۱۶,۰۰۰ مؤثر. ۱۶,۰۰۰ ÷ ۳,۰۰۰ = ۵.۳ شارژ.
مسئله الکترولیز
۱ مول مس (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu) را رسوب دهید. چند کولن؟
۲ مول e⁻ به ازای هر مول Cu. ۲ × F = ۲ × ۹۶,۴۸۵ = ۱۹۲,۹۷۰ C ≈ ۵۳.۶ Ah.
اشتباهات رایج برای اجتناب
- **mAh توان نیست**: mAh بار را اندازهگیری میکند، نه توان را. توان = mAh × ولتاژ ÷ زمان.
- **Wh به ولتاژ نیاز دارد**: نمیتوانید mAh را به Wh تبدیل کنید بدون اینکه ولتاژ را بدانید. ۳.۷ ولت برای لیتیوم-یون معمول است.
- **تلفات بازده**: زمان کار واقعی ۸۰-۹۰٪ محاسبه شده است. گرما، افت ولتاژ، مقاومت داخلی.
- **ولتاژ مهم است**: ۳۰۰۰ mAh @ ۱۲V ≠ ۳۰۰۰ mAh @ ۳.۷V از نظر انرژی (۳۶ Wh در مقابل ۱۱ Wh).
- **جریان در مقابل ظرفیت**: باتری ۵۰۰۰ mAh نمیتواند ۵۰۰۰ mA را برای ۱ ساعت تحویل دهد—حداکثر نرخ تخلیه محدودیت ایجاد میکند.
- **تخلیه عمیق نکنید**: لیتیوم-یون زیر ~۲۰٪ تخریب میشود. ظرفیت نامی، ظرفیت قابل استفاده نیست.
حقایق جالب درباره بار
شما از نظر الکتریکی خنثی هستید
بدن شما ~10²⁸ پروتون و تعداد مساوی الکترون دارد. اگر ۰.۰۱٪ از الکترونهای خود را از دست میدادید، نیروی دافعه 10⁹ نیوتن را احساس میکردید—کافی برای خرد کردن ساختمانها!
پارادوکس صاعقه
صاعقه: فقط ~۱۵ C بار، اما ۱ میلیارد ولت! انرژی = Q×V، بنابراین ۱۵ C × 10⁹ V = ۱۵ GJ. این ۴.۲ مگاوات-ساعت است—میتوانست خانه شما را برای ماهها تأمین کند!
ژنراتور وان دو گراف
نمایش علمی کلاسیک بار را تا میلیونها ولت افزایش میدهد. بار کل؟ فقط ~۱۰ µC. تکاندهنده اما ایمن—جریان کم. ولتاژ ≠ خطر، جریان میکشد.
خازن در مقابل باتری
باتری خودرو: ۶۰ Ah = ۲۱۶,۰۰۰ C، در طول ساعتها آزاد میشود. ابرخازن: ۳۰۰۰ F = ۳۰۰۰ C/V، در چند ثانیه آزاد میشود. چگالی انرژی در مقابل چگالی توان.
قطره روغن میلیکان
۱۹۰۹: میلیکان با تماشای سقوط قطرات روغن باردار، بار بنیادی را اندازهگیری کرد. او e = 1.592×10⁻¹⁹ C را پیدا کرد (مدرن: ۱.۶۰۲). او در سال ۱۹۲۳ جایزه نوبل را برد.
اثر هال کوانتومی
کوانتیزه بودن بار الکترون آنقدر دقیق است که برای تعریف استاندارد مقاومت استفاده میشود. دقت: ۱ قسمت در 10⁹. ثابتهای بنیادی از سال ۲۰۱۹ تمام واحدها را تعریف میکنند.
نکات حرفهای
- **سریع mAh به C**: در ۳.۶ ضرب کنید. ۱۰۰۰ mAh = ۳۶۰۰ C دقیقاً.
- **Wh از mAh**: در ولتاژ ضرب کنید، بر ۱۰۰۰ تقسیم کنید. در ۳.۷ ولت: Wh ≈ mAh ÷ ۲۷۰.
- **زمان کار باتری**: ظرفیت (mAh) را بر مصرف جریان (mA) تقسیم کنید. ۲۰٪ حاشیه برای تلفات اضافه کنید.
- **واقعیت پاور بانک**: به دلیل تلفات تبدیل ولتاژ، انتظار ۷۰-۸۰٪ ظرفیت قابل استفاده را داشته باشید.
- **مقایسه باتریها**: برای مقایسه انرژی از Wh استفاده کنید (ولتاژ را در نظر میگیرد). mAh در ولتاژهای مختلف گمراهکننده است.
- **پایستگی بار**: بار کل هرگز تغییر نمیکند. اگر ۱ C خارج شود، ۱ C برمیگردد (در نهایت).
- **نماد علمی خودکار**: مقادیر < ۱ µC یا > ۱ GC برای خوانایی به صورت نماد علمی نمایش داده میشوند.
مرجع کامل واحدها
واحدهای SI
| نام واحد | نماد | معادل کولن | یادداشتهای استفاده |
|---|---|---|---|
| کولن | C | 1 C (base) | واحد پایه SI؛ ۱ C = ۱ A·s = 6.24×10¹⁸ الکترون. |
| کیلوکولن | kC | 1.000 kC | بارهای صنعتی بزرگ؛ سیستمهای UPS، آبکاری. |
| میلیکولن | mC | 1.0000 mC | آزمایشهای کوچک آزمایشگاهی؛ تخلیه خازن. |
| میکروکولن | µC | 1.0000 µC | الکترونیک دقیق؛ الکتریسیته ساکن (۱ µC ≈ شوک قابل حس). |
| نانوکولن | nC | 1.000e-9 C | سیگنالهای حسگر کوچک؛ اندازهگیریهای دقیق. |
| پیکوکولن | pC | 1.000e-12 C | ابزار دقیق؛ ≈ ۶ میلیون الکترون. |
| فمتوکولن | fC | 1.000e-15 C | ترانزیستورهای تک الکترونی؛ نقاط کوانتومی؛ دقت فوقالعاده. |
| آتوکولن | aC | 1.000e-18 C | سیستمهای کوانتومی با چند الکترون؛ ≈ ۶ الکترون. |
ظرفیت باتری
| نام واحد | نماد | معادل کولن | یادداشتهای استفاده |
|---|---|---|---|
| کیلوآمپر-ساعت | kAh | 3.60e+0 C | بانکهای باتری صنعتی؛ شارژ ناوگان EV؛ ذخیرهسازی شبکه. |
| آمپر-ساعت | Ah | 3.600 kC | واحد استاندارد باتری؛ باتریهای خودرو (۶۰ Ah)، لپتاپها (۵ Ah). |
| میلیآمپر-ساعت | mAh | 3.6000 C | استاندارد مصرفی؛ گوشیها (۳۰۰۰ mAh)، تبلتها، ایربادها. |
| آمپر-دقیقه | A·min | 60.0000 C | تخلیه کوتاهمدت؛ به ندرت استفاده میشود. |
| آمپر-ثانیه | A·s | 1 C (base) | مانند کولن (۱ A·s = ۱ C)؛ نظری. |
| watt-hour (@ 3.7V Li-ion) | Wh | 972.9730 C | آمپر-ساعت و واحدهای مرتبط؛ استاندارد برای رتبهبندی باتری و توان. |
| milliwatt-hour (@ 3.7V Li-ion) | mWh | 972.9730 mC | آمپر-ساعت و واحدهای مرتبط؛ استاندارد برای رتبهبندی باتری و توان. |
قدیمی و علمی
| نام واحد | نماد | معادل کولن | یادداشتهای استفاده |
|---|---|---|---|
| آبکولن (EMU) | abC | 10.0000 C | واحد CGS-EMU = ۱۰ C؛ منسوخ، در متون قدیمی EM ظاهر میشود. |
| استاتکولن (ESU) | statC | 3.336e-10 C | واحد CGS-ESU ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C؛ واحد منسوخ الکترواستاتیک. |
| فارادی | F | 96.485 kC | ۱ مول الکترون = ۹۶,۴۸۵ C؛ استاندارد الکتروشیمی. |
| بار بنیادی | e | 1.602e-19 C | واحد بنیادی e = 1.602×10⁻¹⁹ C؛ بار پروتون/الکترون. |
سوالات متداول
تفاوت بین mAh و Wh چیست؟
mAh بار را اندازهگیری میکند (تعداد الکترونها). Wh انرژی را اندازهگیری میکند (بار × ولتاژ). mAh یکسان در ولتاژهای مختلف = انرژی متفاوت. برای مقایسه باتریها در ولتاژهای مختلف از Wh استفاده کنید. Wh = mAh × V ÷ ۱۰۰۰.
چرا نمیتوانم ظرفیت نامی را از باتری خود دریافت کنم؟
ظرفیت نامی، ظرفیت قابل استفاده نیست. لیتیوم-یون: از ۴.۲ ولت (کامل) تا ۳.۰ ولت (خالی) تخلیه میشود، اما توقف در ۲۰٪ عمر را حفظ میکند. تلفات تبدیل، گرما و پیری ظرفیت مؤثر را کاهش میدهند. انتظار ۸۰-۹۰٪ نامی را داشته باشید.
یک پاور بانک چند بار میتواند گوشی من را شارژ کند؟
این فقط یک نسبت ظرفیت نیست. پاور بانک ۲۰,۰۰۰ mAh: ~۷۰-۸۰٪ بازده دارد (تبدیل ولتاژ، گرما). مؤثر: ۱۶,۰۰۰ mAh. برای گوشی ۳,۰۰۰ mAh: ۱۶,۰۰۰ ÷ ۳,۰۰۰ ≈ ۵ شارژ. در دنیای واقعی: ۴-۵.
بار بنیادی چیست و چرا مهم است؟
بار بنیادی (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) بار یک پروتون یا الکترون است. تمام بارها در مضربهایی از e کوانتیزه شدهاند. برای مکانیک کوانتومی بنیادی است و ثابت ساختار ریز را تعریف میکند. از سال ۲۰۱۹، e طبق تعریف دقیق است.
آیا میتوانید بار منفی داشته باشید؟
بله! بار منفی به معنای الکترونهای اضافی است، بار مثبت به معنای کمبود. بار کل جبری است (میتواند خنثی شود). الکترونها: -e. پروتونها: +e. اجسام: معمولاً تقریباً خنثی هستند (تعداد + و - برابر است). بارهای همنام یکدیگر را دفع میکنند، بارهای غیر همنام یکدیگر را جذب میکنند.
چرا باتریها با گذشت زمان ظرفیت خود را از دست میدهند؟
لیتیوم-یون: واکنشهای شیمیایی به آرامی مواد الکترود را تخریب میکنند. هر چرخه شارژ تغییرات کوچک و غیرقابل بازگشتی ایجاد میکند. تخلیه عمیق (<۲۰٪)، دمای بالا، شارژ سریع، پیری را تسریع میکنند. باتریهای مدرن: ۵۰۰-۱۰۰۰ چرخه تا ۸۰٪ ظرفیت.
فهرست کامل ابزارها
همه 71 ابزار موجود در UNITS