מטען חשמלי הוא התכונה הפיזית הגורמת לחלקיקים לחוות כוח אלקטרומגנטי. מגיע בחיובי ובשלילי. מטענים דומים דוחים, מטענים מנוגדים מושכים. יסודי לכל הכימיה והאלקטרוניקה.

• 1 קולון = 6.24×10¹⁸ אלקטרונים
• פרוטון: +1e, אלקטרון: -1e
• מטען נשמר (לעולם לא נוצר או נהרס)
• מקוונטט בכפולות של e = 1.602×10⁻¹⁹ C

זרם (I) הוא קצב זרימת המטען. Q = I × t. 1 אמפר = 1 קולון לשנייה. קיבולת סוללה ב-Ah היא מטען, לא זרם. 1 Ah = 3600 C.

• זרם = מטען לזמן (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (הגדרה)
• 1 Ah = 3600 C (1 אמפר למשך שעה)
• mAh הוא קיבולת מטען, לא הספק

סוללות אוגרות מטען. מדורגות ב-Ah או mAh (מטען) או ב-Wh (אנרגיה). Wh = Ah × מתח. סוללת טלפון: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. מתח חשוב לאנרגיה, לא למטען.

• mAh = מיליאמפר-שעה (מטען)
• Wh = ואט-שעה (אנרגיה = מטען × מתח)
• mAh גבוה יותר = זמן פעולה ארוך יותר (אותו מתח)
• 3000 mAh ≈ 10,800 קולון

לפני הבנת המטען באופן כמותי, מדענים חקרו חשמל סטטי ואת 'הנוזל החשמלי' המסתורי. המצאת הסוללות אפשרה מדידה מדויקת של זרם מטען רציף.

• 1600: ויליאם גילברט מבחין בין חשמל למגנטיות, טובע את המונח 'חשמלי'
• 1733: שארל דו פה מגלה שני סוגי חשמל (חיובי ושלילי)
• 1745: צנצנת ליידן הומצאה — הקבל הראשון, אוגר מטען מדיד
• 1785: קולון מפרסם את חוק הריבוע ההפוך F = k(q₁q₂/r²) לכוח חשמלי
• 1800: וולטה ממציא את הסוללה — מאפשר זרימת מטען רציפה ומדידה
• 1833: פאראדיי מגלה את חוקי האלקטרוליזה — מקשר את המטען לכימיה (קבוע פאראדיי)

הקולון התפתח מהגדרות מעשיות המבוססות על תקנים אלקטרוכימיים להגדרה המודרנית הקשורה לאמפר ולשנייה.

• 1881: קולון מעשי ראשון הוגדר באמצעות תקן ציפוי כסף אלקטרוליטי
• 1893: היריד העולמי בשיקגו מתקנן את הקולון לשימוש בינלאומי
• 1948: CGPM מגדיר את הקולון כ-1 אמפר-שנייה (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: האמפר הוגדר על ידי הכוח בין מוליכים מקבילים, מה שהפך את הקולון לעקיף
• בעיה: הגדרת האמפר מבוססת הכוח הייתה קשה למימוש ברמת דיוק גבוהה
• שנות ה-1990-2010: מטרולוגיה קוונטית (אפקט ג'וזפסון, אפקט הול קוונטי) מאפשרת ספירת אלקטרונים

ב-20 במאי 2019, המטען היסודי נקבע באופן מדויק, מה שהגדיר מחדש את האמפר והפך את הקולון לשחזור מקבועים יסודיים.

• הגדרה חדשה: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C בדיוק (אי-ודאות אפס על פי הגדרה)
• המטען היסודי הוא כעת קבוע מוגדר, לא ערך נמדד
• 1 קולון = 6.241509074 × 10¹⁸ מטענים יסודיים (בדיוק)
• התקני מינהור של אלקטרון בודד יכולים לספור אלקטרונים אחד-אחד לתקני מטען מדויקים
• משולש המטרולוגיה הקוונטית: מתח (ג'וזפסון), התנגדות (הול קוונטי), זרם (משאבת אלקטרונים)
• תוצאה: כל מעבדה עם ציוד קוונטי יכולה לממש את הקולון באופן עצמאי

ההגדרה מחדש של 2019 מייצגת למעלה מ-135 שנות התקדמות מתקנים אלקטרוכימיים לדיוק קוונטי, ומאפשרת את הדור הבא של אלקטרוניקה ואגירת אנרגיה.

• טכנולוגיית סוללות: מדידות קיבולת מדויקות יותר לרכבים חשמליים, אגירת רשת
• מחשוב קוונטי: בקרת מטען מדויקת בקוביטים ובטרנזיסטורים של אלקטרון בודד
• מטרולוגיה: מעבדות לאומיות יכולות לממש באופן עצמאי את הקולון ללא חפצי ייחוס
• כימיה: קבוע פאראדיי כעת מדויק, משפר את חישובי האלקטרוכימיה
• אלקטרוניקה צרכנית: תקנים טובים יותר לדירוגי קיבולת סוללות ולפרוטוקולי טעינה מהירה

• קיצור דרך מ-mAh ל-C: הכפל ב-3.6 ← 1000 mAh = 3600 C בדיוק
• Ah ל-C: הכפל ב-3600 ← 1 Ah = 3600 C (1 אמפר למשך שעה)
• מהיר מ-mAh ל-Wh (3.7V): חלק ב-~270 ← 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh ל-mAh (3.7V): הכפל ב-~270 ← 11 Wh ≈ 2970 mAh
• מטען יסודי: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (מעוגל מ-1.602)
• קבוע פאראדיי: F ≈ 96,500 C/mol (מעוגל מ-96,485)

הבנת דירוגי הסוללות מונעת בלבול בין מטען (mAh), מתח (V) ואנרגיה (Wh). כללים אלה חוסכים זמן וכסף.

• mAh מודד מטען, לא הספק או אנרגיה — זה כמה אלקטרונים אתה יכול להזיז
• כדי לקבל אנרגיה: Wh = mAh × V ÷ 1000 (המתח הוא קריטי!)
• אותו mAh במתחים שונים = אנרגיה שונה (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• סוללות גיבוי: צפו ל-70-80% קיבולת שמישה (הפסדי המרת מתח)
• זמן פעולה = קיבולת ÷ זרם: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 שעות (אידיאלי, הוסף מרווח של 20%)
• ליתיום-יון טיפוסי: 3.7V נומינלי, 4.2V מלא, 3.0V ריק (טווח שמיש ~80%)

• מטען מזרם: Q = I × t (קולון = אמפר × שניות)
• זמן פעולה: t = Q / I (שעות = אמפר-שעה / אמפר)
• אנרגיה ממטען: E = Q × V (ואט-שעה = אמפר-שעה × וולט)
• מותאם ליעילות: שמיש = מדורג × 0.8 (חשב הפסדים)
• אלקטרוליזה: Q = n × F (קולון = מול אלקטרונים × קבוע פאראדיי)
• אנרגיית קבל: E = ½CV² (ג'ול = ½ פאראד × וולט²)

• בלבול בין mAh ל-mWh — מטען מול אנרגיה (צריך מתח כדי להמיר!)
• התעלמות ממתח בעת השוואת סוללות — השתמש ב-Wh להשוואת אנרגיה
• ציפייה ליעילות של 100% מסוללת גיבוי — 20-30% אובדים לחום ולהמרת מתח
• ערבוב של C (קולון) עם C (קצב פריקה) — משמעויות שונות לחלוטין!
• הנחה ש-mAh = זמן פעולה — צריך לדעת את צריכת הזרם (זמן פעולה = mAh ÷ mA)
• פריקה עמוקה של ליתיום-יון מתחת ל-20% — מקצר את תוחלת החיים, קיבולת מדורגת ≠ קיבולת שמישה

קולון (C) הוא יחידת הבסיס של SI למטען. מוגדר מאמפר ושנייה: 1 C = 1 A·s. קידומות מפיקו ועד קילו מכסות את כל הטווחים המעשיים.

• 1 C = 1 A·s (הגדרה מדויקת)
• mC, µC, nC למטענים קטנים
• pC, fC, aC לעבודה קוונטית/מדויקת
• kC למערכות תעשייתיות גדולות

אמפר-שעה (Ah) ומיליאמפר-שעה (mAh) הם התקן לסוללות. מעשיים מכיוון שהם קשורים ישירות לצריכת זרם ולזמן פעולה. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — סמארטפונים, טאבלטים, אוזניות
• Ah — מחשבים ניידים, כלי עבודה חשמליים, סוללות רכב
• kAh — כלי רכב חשמליים, UPS תעשייתי
• Wh — קיבולת אנרגיה (תלוית מתח)

מטען יסודי (e) הוא יחידה יסודית בפיזיקה. קבוע פאראדיי בכימיה. יחידות CGS (סטט-קולון, אב-קולון) בספרי לימוד ישנים.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (מטען יסודי)
• F = 96,485 C (קבוע פאראדיי)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

כל המטען מקוונטט בכפולות של המטען היסודי e. לא יכול להיות לך 1.5 אלקטרונים. לקווארקים יש מטען חלקי (⅓e, ⅔e) אך הם לעולם אינם קיימים לבד.

• המטען החופשי הקטן ביותר: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• אלקטרון: -1e, פרוטון: +1e
• לכל העצמים יש מטען של N×e (N מספר שלם)
• ניסוי טיפת השמן של מיליקן הוכיח קוונטיזציה (1909)

1 מול של אלקטרונים נושא מטען של 96,485 C. נקרא קבוע פאראדיי (F). יסודי לאלקטרוכימיה ולכימיה של סוללות.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 מול e⁻ = 6.022×10²³ אלקטרונים
• משמש בחישובי אלקטרוליזה
• מקשר בין מטען לתגובות כימיות

כוח בין מטענים: F = k(q₁q₂/r²). מטענים דומים דוחים, מטענים מנוגדים מושכים. כוח יסוד בטבע. מסביר את כל הכימיה והאלקטרוניקה.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (מכפלת המטענים)
• F ∝ 1/r² (חוק הריבוע ההפוך)
• מסביר מבנה אטומי, קשרים

לכל מכשיר המופעל באמצעות סוללה יש דירוג קיבולת. סמארטפונים: 2500-5000 mAh. מחשבים ניידים: 40-100 Wh. סוללות גיבוי: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (מגבלת חברות תעופה)
• AirPods: ~500 mAh (משולב)
• סוללת גיבוי: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

סוללות EV מדורגות ב-kWh (אנרגיה), אך הקיבולת היא kAh במתח המארז. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. עצום בהשוואה לטלפונים!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• טעינת EV: 50-350 קילוואט DC מהירה
• טעינה ביתית: ~7 קילוואט (32A @ 220V)

ציפוי אלקטרוליטי, אלקטרוליזה, בנקי קבלים, מערכות UPS כולן כרוכות בהעברות מטען גדולות. UPS תעשייתי: קיבולת של 100+ kAh. קבלי-על: פאראד (C/V).

• ציפוי אלקטרוליטי: תהליכי 10-1000 Ah
• UPS תעשייתי: גיבוי של 100+ kAh
• קבל-על: 3000 F = 3000 C/V
• מכת ברק: ~15 C טיפוסי

הכפל את mAh ב-3.6 כדי לקבל קולון. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (בדיוק)
• 1 Ah = 3600 C
• מהיר: mAh × 3.6 → C
• דוגמה: 3000 mAh = 10,800 C

חלק את mAh ב-~270 כדי לקבל Wh במתח ליתיום-יון של 3.7V.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• ב-3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• מתח חשוב לאנרגיה!

זמן פעולה (שעות) = סוללה (mAh) ÷ זרם (mA). 3000 mAh ב-300 mA = 10 שעות.

• זמן פעולה = קיבולת ÷ זרם
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 שעות
• זרם גבוה יותר = זמן פעולה קצר יותר
• הפסדי יעילות: צפו ל-80-90%

סוללת 3500 mAh. אפליקציה משתמשת ב-350 mA. כמה זמן עד שהיא מתה?

זמן פעולה = קיבולת ÷ זרם = 3500 ÷ 350 = 10 שעות (אידיאלי). בפועל: ~8-9 שעות (הפסדי יעילות).

סוללת גיבוי 20,000 mAh. טען טלפון 3,000 mAh. כמה טעינות מלאות?

חשב יעילות (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 אפקטיבי. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 טעינות.

השקע 1 מול נחושת (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). כמה קולון?

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

בגופך יש ~10²⁸ פרוטונים ומספר שווה של אלקטרונים. אם היית מאבד 0.01% מהאלקטרונים, היית מרגיש דחייה של 10⁹ ניוטון—מספיק כדי למחוץ בניינים!

מכת ברק: רק ~15 C של מטען, אבל מיליארד וולט! אנרגיה = Q×V, אז 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. זה 4.2 MWh—יכול להפעיל את ביתך במשך חודשים!

הדגמה מדעית קלאסית בונה מטען עד למיליוני וולטים. מטען כולל? רק ~10 µC. מזעזע אבל בטוח—זרם נמוך. מתח ≠ סכנה, זרם הורג.

סוללת רכב: 60 Ah = 216,000 C, משתחררת במשך שעות. קבל-על: 3000 F = 3000 C/V, משתחרר בשניות. צפיפות אנרגיה מול צפיפות הספק.

1909: מיליקן מדד את המטען היסודי על ידי צפייה בטיפות שמן טעונות נופלות. הוא מצא ש-e = 1.592×10⁻¹⁹ C (מודרני: 1.602). הוא זכה בפרס נובל בשנת 1923.

קוונטיזציית מטען האלקטרון כה מדויקת, שהיא משמשת להגדרת תקן ההתנגדות. דיוק: חלק 1 מתוך 10⁹. קבועים יסודיים מגדירים את כל היחידות מאז 2019.

mAh מודד מטען (כמה אלקטרונים). Wh מודד אנרגיה (מטען × מתח). אותו mAh במתחים שונים = אנרגיה שונה. השתמש ב-Wh כדי להשוות סוללות במתחים שונים. Wh = mAh × V ÷ 1000.

הקיבולת המדורגת אינה קיבולת שמישה. ליתיום-יון: נפרקת מ-4.2V (מלא) ל-3.0V (ריק), אך עצירה ב-20% שומרת על תוחלת החיים. הפסדי המרה, חום והתיישנות מפחיתים את הקיבולת האפקטיבית. צפו ל-80-90% מהמדורג.

זה לא פשוט יחס קיבולת. סוללת גיבוי של 20,000 mAh: יעילות של ~70-80% (המרת מתח, חום). אפקטיבי: 16,000 mAh. לטלפון של 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 טעינות. בעולם האמיתי: 4-5.

המטען היסודי (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) הוא המטען של פרוטון או אלקטרון אחד. כל המטען מקוונטט בכפולות של e. יסודי למכניקת הקוונטים, מגדיר את קבוע המבנה הדק. מאז 2019, e מדויק על פי הגדרה.

כן! מטען שלילי פירושו עודף אלקטרונים, מטען חיובי פירושו חוסר. המטען הכולל הוא אלגברי (יכול להתבטל). אלקטרונים: -e. פרוטונים: +e. עצמים: בדרך כלל כמעט ניטרליים (שוויון של + ו-). מטענים דומים דוחים, מטענים מנוגדים מושכים.

ליתיום-יון: תגובות כימיות מפרקות לאט את חומרי האלקטרודה. כל מחזור טעינה גורם לשינויים קטנים ובלתי הפיכים. פריקה עמוקה (<20%), טמפרטורה גבוהה, טעינה מהירה מאיצים את ההתיישנות. סוללות מודרניות: 500-1000 מחזורים עד ל-80% קיבולת.