Sähkövaraus on fyysinen ominaisuus, joka saa hiukkaset kokemaan sähkömagneettisen voiman. Sitä on positiivista ja negatiivista. Samanmerkkiset varaukset hylkivät, vastakkaismerkkiset vetävät puoleensa. Perustavanlaatuinen kaikelle kemialle ja elektroniikalle.

• 1 coulomb = 6.24×10¹⁸ elektronia
• Protoni: +1e, Elektroni: -1e
• Varaus säilyy (ei koskaan synny tai katoa)
• Kvantittunut e = 1.602×10⁻¹⁹ C:n monikertoina

Virta (I) on varauksen virtausnopeus. Q = I × t. 1 ampeeri = 1 coulomb sekunnissa. Akun kapasiteetti Ah:na on varaus, ei virta. 1 Ah = 3600 C.

• Virta = varaus per aika (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (määritelmä)
• 1 Ah = 3600 C (1 ampeeri 1 tunnin ajan)
• mAh on varauskapasiteetti, ei teho

Akut varastoivat varausta. Luokitellaan Ah:na tai mAh:na (varaus) tai Wh:na (energia). Wh = Ah × Jännite. Puhelimen akku: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Jännite on tärkeä energialle, ei varaukselle.

• mAh = milliampeeritunti (varaus)
• Wh = wattitunti (energia = varaus × jännite)
• Korkeampi mAh = pidempi käyttöaika (samalla jännitteellä)
• 3000 mAh ≈ 10,800 coulombia

Ennen kuin varausta ymmärrettiin kvantitatiivisesti, tutkijat tutkivat staattista sähköä ja salaperäistä 'sähköistä nestettä'. Akkujen keksiminen mahdollisti jatkuvan varausvirran tarkan mittaamisen.

• 1600: William Gilbert erottaa sähkön magnetismista, luo termin 'sähköinen'
• 1733: Charles du Fay löytää kaksi sähkötyyppiä (positiivinen ja negatiivinen)
• 1745: Leydenin pullo keksitään — ensimmäinen kondensaattori, varastoi mitattavissa olevaa varausta
• 1785: Coulomb julkaisee käänteisen neliön lain F = k(q₁q₂/r²) sähköiselle voimalle
• 1800: Volta keksii pariston — mahdollistaa jatkuvan, mitattavissa olevan varausvirran
• 1833: Faraday löytää elektrolyysin lait — yhdistää varauksen kemiaan (Faradayn vakio)

Coulomb kehittyi käytännön määritelmistä, jotka perustuivat sähkökemiallisiin standardeihin, moderniin määritelmään, joka on sidottu ampeeriin ja sekuntiin.

• 1881: Ensimmäinen käytännön coulomb määriteltiin hopean sähköpinnoitusstandardin avulla
• 1893: Chicagon maailmannäyttely standardoi coulombin kansainväliseen käyttöön
• 1948: CGPM määrittelee coulombin 1 ampeerisekuntina (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Ampeeri määriteltiin yhdensuuntaisten johtimien välisellä voimalla, mikä teki coulombista epäsuoran
• Ongelma: Ampeerin voimaan perustuvaa määritelmää oli vaikea toteuttaa suurella tarkkuudella
• 1990-luku-2010-luku: Kvanttimetrologia (Josephsonin ilmiö, kvantti-Hall-ilmiö) mahdollistaa elektronien laskemisen

20. toukokuuta 2019 alkeisvaraus kiinnitettiin tarkasti, mikä määritteli ampeerin uudelleen ja teki coulombista toistettavan perusvakioista.

• Uusi määritelmä: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C tarkalleen (nolla epävarmuutta määritelmän mukaan)
• Alkeisvaraus on nyt määritelty vakio, ei mitattu arvo
• 1 coulomb = 6.241509074 × 10¹⁸ alkeisvarausta (tarkka)
• Yhden elektronin tunnelointilaitteet voivat laskea elektroneja yksi kerrallaan tarkkoja varausstandardeja varten
• Kvanttimetrologian kolmio: jännite (Josephson), resistanssi (kvantti-Hall), virta (elektronipumppu)
• Tulos: Mikä tahansa laboratorio kvanttilaitteistolla voi toteuttaa coulombin itsenäisesti

Vuoden 2019 uudelleenmäärittely edustaa yli 135 vuoden edistystä sähkökemiallisista standardeista kvanttitarkkuuteen, mahdollistaen seuraavan sukupolven elektroniikan ja energian varastoinnin.

• Akkuteknologia: Tarkemmat kapasiteettimittaukset sähköajoneuvoille, verkkotallennus
• Kvanttilaskenta: Tarkka varauksen hallinta kubiteissa ja yhden elektronin transistoreissa
• Metrologia: Kansalliset laboratoriot voivat toteuttaa coulombin itsenäisesti ilman vertailuesineitä
• Kemia: Faradayn vakio on nyt tarkka, parantaa sähkökemian laskelmia
• Kulutuselektroniikka: Paremmat standardit akkujen kapasiteettiluokituksille ja pikalatausprotokollille

• mAh → C pikakikka: Kerro 3.6:lla → 1000 mAh = 3600 C tarkalleen
• Ah → C: Kerro 3600:lla → 1 Ah = 3600 C (1 ampeeri 1 tunnin ajan)
• Nopea mAh → Wh (3.7V): Jaa ~270:llä → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh → mAh (3.7V): Kerro ~270:llä → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Alkeisvaraus: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (pyöristetty 1.602:sta)
• Faradayn vakio: F ≈ 96,500 C/mol (pyöristetty 96,485:stä)

Akkuluokitusten ymmärtäminen estää sekaannuksen varauksen (mAh), jännitteen (V) ja energian (Wh) välillä. Nämä säännöt säästävät aikaa ja rahaa.

• mAh mittaa VARAUSTA, ei tehoa tai energiaa — se on kuinka monta elektronia voit siirtää
• Energian saamiseksi: Wh = mAh × V ÷ 1000 (jännite on kriittinen!)
• Sama mAh eri jännitteillä = eri energia (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Varavirtalähteet: Odota 70-80% hyötykapasiteettia (jännitemuunnoksen häviöt)
• Käyttöaika = Kapasiteetti ÷ Virta: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 tuntia (ideaali, lisää 20% marginaali)
• Tyypillinen Li-ion: 3.7V nimellinen, 4.2V täysi, 3.0V tyhjä (käyttöalue ~80%)

• Varaus virrasta: Q = I × t (coulombit = ampeerit × sekunnit)
• Käyttöaika: t = Q / I (tunnit = ampeeritunnit / ampeerit)
• Energia varauksesta: E = Q × V (wattitunnit = ampeeritunnit × voltit)
• Hyötysuhteella oikaistu: Hyödyllinen = Nimellinen × 0.8 (ota huomioon häviöt)
• Elektrolyysi: Q = n × F (coulombit = moolit elektroneja × Faradayn vakio)
• Kondensaattorin energia: E = ½CV² (joulet = ½ faradit × voltit²)

• mAh:n ja mWh:n sekoittaminen — varaus vs. energia (muuntamiseen tarvitaan jännite!)
• Jännitteen sivuuttaminen akkuja verrattaessa — käytä Wh:ta energiavertailuun
• 100% varavirtalähteen hyötysuhteen odottaminen — 20-30% häviää lämpöön ja jännitemuunnokseen
• C (coulombit) ja C (purkausnopeus) sekoittaminen — täysin eri merkitykset!
• Olettamus, että mAh = käyttöaika — virrankulutus on tiedettävä (käyttöaika = mAh ÷ mA)
• Li-ion-akun syväpurkaminen alle 20%:iin — lyhentää käyttöikää, nimelliskapasiteetti ≠ hyötykapasiteetti

Coulomb (C) on SI-perusyksikkö varaukselle. Määritellään ampeerista ja sekunnista: 1 C = 1 A·s. Etuliitteet pikosta kiloon kattavat kaikki käytännön alueet.

• 1 C = 1 A·s (tarkka määritelmä)
• mC, µC, nC pienille varauksille
• pC, fC, aC kvantti-/tarkkuustyöhön
• kC suurille teollisuusjärjestelmille

Ampeeritunti (Ah) ja milliampeeritunti (mAh) ovat akkuille standardi. Käytännöllisiä, koska ne liittyvät suoraan virrankulutukseen ja käyttöaikaan. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — älypuhelimet, tabletit, nappikuulokkeet
• Ah — kannettavat tietokoneet, sähkötyökalut, autonakut
• kAh — sähköajoneuvot, teollisuuden UPS-järjestelmät
• Wh — energiakapasiteetti (jännitteestä riippuvainen)

Alkeisvaraus (e) on fysiikan perusyksikkö. Faradayn vakio kemiassa. CGS-yksiköt (statcoulomb, abcoulomb) vanhoissa oppikirjoissa.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (alkeisvaraus)
• F = 96,485 C (Faradayn vakio)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Kaikki varaus on kvantittunut alkeisvarauksen e monikertoina. Sinulla ei voi olla 1,5 elektronia. Kvarkeilla on murto-osavaraus (⅓e, ⅔e), mutta ne eivät koskaan esiinny yksinään.

• Pienin vapaa varaus: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Elektroni: -1e, Protoni: +1e
• Kaikilla kappaleilla on N×e-varaus (kokonaisluku N)
• Millikanin öljypisarakoe todisti kvantittumisen (1909)

1 mooli elektroneja kantaa 96,485 C:n varausta. Sitä kutsutaan Faradayn vakioksi (F). Perustavanlaatuinen sähkökemialle ja akkukemialle.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mooli e⁻ = 6.022×10²³ elektronia
• Käytetään elektrolyysilaskelmissa
• Yhdistää varauksen kemiallisiin reaktioihin

Voima varausten välillä: F = k(q₁q₂/r²). Samanmerkkiset varaukset hylkivät, vastakkaismerkkiset vetävät puoleensa. Luonnon perusvoima. Selittää kaiken kemian ja elektroniikan.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (varausten tulo)
• F ∝ 1/r² (käänteisen neliön laki)
• Selittää atomirakenteen, sidokset

Jokaisella paristokäyttöisellä laitteella on kapasiteettiluokitus. Älypuhelimet: 2500-5000 mAh. Kannettavat tietokoneet: 40-100 Wh. Varavirtalähteet: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (lentoyhtiön raja)
• AirPods: ~500 mAh (yhteensä)
• Varavirtalähde: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Sähköajoneuvojen akut luokitellaan kWh:na (energia), mutta kapasiteetti on kAh akun jännitteellä. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Valtava verrattuna puhelimiin!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Sähköajoneuvon lataus: 50-350 kW DC pika
• Kotilataus: ~7 kW (32A @ 220V)

Sähköpinnoitus, elektrolyysi, kondensaattoripankit, UPS-järjestelmät sisältävät kaikki suuria varauksensiirtoja. Teollisuuden UPS: 100+ kAh kapasiteetti. Superkondensaattorit: faradit (C/V).

• Sähköpinnoitus: 10-1000 Ah prosessit
• Teollisuuden UPS: 100+ kAh varavirta
• Superkondensaattori: 3000 F = 3000 C/V
• Salamanisku: ~15 C tyypillisesti

Kerro mAh 3.6:lla saadaksesi coulombit. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (tarkka)
• 1 Ah = 3600 C
• Nopeasti: mAh × 3.6 → C
• Esimerkki: 3000 mAh = 10,800 C

Jaa mAh ~270:llä saadaksesi Wh 3.7V Li-ion-jännitteellä.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• 3.7V:lla: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Jännite on tärkeä energialle!

Käyttöaika (h) = Akku (mAh) ÷ Virta (mA). 3000 mAh 300 mA:lla = 10 tuntia.

• Käyttöaika = Kapasiteetti ÷ Virta
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Suurempi virta = lyhyempi käyttöaika
• Hyötysuhdehäviöt: odota 80-90%

3500 mAh akku. Sovellus käyttää 350 mA. Kuinka kauan kestää, kunnes akku on tyhjä?

Käyttöaika = Kapasiteetti ÷ Virta = 3500 ÷ 350 = 10 tuntia (ideaali). Todellisuudessa: ~8-9h (hyötysuhdehäviöt).

20,000 mAh varavirtalähde. Lataa 3,000 mAh puhelin. Kuinka monta täyttä latausta?

Ota huomioon hyötysuhde (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 tehokasta. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 latausta.

Saosta 1 mooli kuparia (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Kuinka monta coulombia?

2 moolia e⁻ per mooli Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

Kehossasi on ~10²⁸ protonia ja yhtä monta elektronia. Jos menettäisit 0.01% elektroneista, tuntisit 10⁹ newtonin hylkimisvoiman—tarpeeksi murskaamaan rakennuksia!

Salamanisku: vain ~15 C varausta, mutta 1 miljardi volttia! Energia = Q×V, joten 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Se on 4.2 MWh—voisi antaa virtaa kotiisi kuukausiksi!

Klassinen tiededemonstraatio kerää varausta miljooniin voltteihin. Kokonaisvaraus? Vain ~10 µC. Järkyttävä, mutta turvallinen—pieni virta. Jännite ≠ vaara, virta tappaa.

Autonakku: 60 Ah = 216,000 C, vapautuu tuntien kuluessa. Superkondensaattori: 3000 F = 3000 C/V, vapautuu sekunneissa. Energiatiheys vs. tehotiheys.

1909: Millikan mittasi alkeisvarauksen katsomalla varattujen öljypisaroiden putoamista. Löysi e = 1.592×10⁻¹⁹ C (moderni: 1.602). Voitti Nobelin palkinnon vuonna 1923.

Elektronin varauksen kvantittuminen on niin tarkkaa, että sitä käytetään resistanssistandardin määrittelyyn. Tarkkuus: 1 osa 10⁹:stä. Perusvakiot määrittelevät kaikki yksiköt vuodesta 2019 lähtien.

mAh mittaa varausta (kuinka monta elektronia). Wh mittaa energiaa (varaus × jännite). Sama mAh eri jännitteillä = eri energia. Käytä Wh:ta akkujen vertailuun eri jännitteillä. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Nimelliskapasiteetti ei ole hyötykapasiteetti. Li-ion: purkautuu 4.2V:sta (täysi) 3.0V:iin (tyhjä), mutta pysähtyminen 20%:iin säästää käyttöikää. Muunnoshäviöt, lämpö ja vanheneminen vähentävät tehokasta kapasiteettia. Odota 80-90% nimellisestä.

Se ei ole pelkkä kapasiteettien suhde. 20,000 mAh varavirtalähde: ~70-80% tehokas (jännitemuunnos, lämpö). Tehokas: 16,000 mAh. 3,000 mAh puhelimelle: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 latausta. Todellisessa maailmassa: 4-5.

Alkeisvaraus (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) on yhden protonin tai elektronin varaus. Kaikki varaus on kvantittunut e:n monikertoina. Perustavanlaatuinen kvanttimekaniikalle, määrittelee hienorakennevakion. Vuodesta 2019 lähtien e on määritelmän mukaan tarkka.

Kyllä! Negatiivinen varaus tarkoittaa elektronien ylijäämää, positiivinen alijäämää. Kokonaisvaraus on algebrallinen (voi kumota toisensa). Elektronit: -e. Protonit: +e. Kappaleet: tyypillisesti lähes neutraaleja (yhtä paljon + ja -). Samanmerkkiset varaukset hylkivät, vastakkaismerkkiset vetävät puoleensa.

Li-ion: kemialliset reaktiot hajottavat hitaasti elektrodimateriaaleja. Jokainen latausjakso aiheuttaa pieniä peruuttamattomia muutoksia. Syväpurkaminen (<20%), korkea lämpötila, pikalataus nopeuttavat vanhenemista. Modernit akut: 500-1000 sykliä 80%:n kapasiteettiin.