Električni naboj je fizičko svojstvo koje uzrokuje da čestice doživljavaju elektromagnetsku silu. Dolazi u pozitivnom i negativnom obliku. Isti naboji se odbijaju, suprotni se privlače. Fundamentalno za svu kemiju i elektroniku.

• 1 kulon = 6.24×10¹⁸ elektrona
• Proton: +1e, Elektron: -1e
• Naboj je očuvan (nikada se ne stvara/uništava)
• Kvantiziran u višekratnicima e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Struja (I) je brzina protoka naboja. Q = I × t. 1 amper = 1 kulon u sekundi. Kapacitet baterije u Ah je naboj, ne struja. 1 Ah = 3600 C.

• Struja = naboj po vremenu (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (definicija)
• 1 Ah = 3600 C (1 amper za 1 sat)
• mAh je kapacitet naboja, ne snaga

Baterije pohranjuju naboj. Ocijenjene u Ah ili mAh (naboj) ili Wh (energija). Wh = Ah × Napon. Baterija telefona: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Napon je bitan za energiju, ne za naboj.

• mAh = miliamper-sat (naboj)
• Wh = vat-sat (energija = naboj × napon)
• Veći mAh = duže vrijeme rada (isti napon)
• 3000 mAh ≈ 10,800 kulona

Prije kvantitativnog razumijevanja naboja, znanstvenici su istraživali statički elektricitet i misteriozni 'električni fluid'. Izum baterija omogućio je precizno mjerenje kontinuiranog protoka naboja.

• 1600: William Gilbert razlikuje elektricitet od magnetizma, kuje termin 'električni'
• 1733: Charles du Fay otkriva dvije vrste elektriciteta (pozitivan i negativan)
• 1745: Izumljena Leydenska boca — prvi kondenzator, pohranjuje mjerljivi naboj
• 1785: Coulomb objavljuje zakon inverznog kvadrata F = k(q₁q₂/r²) za električnu silu
• 1800: Volta izumljuje bateriju — omogućava kontinuirani, mjerljivi protok naboja
• 1833: Faraday otkriva zakone elektrolize — povezuje naboj s kemijom (Faradayeva konstanta)

Kulon je evoluirao od praktičnih definicija zasnovanih na elektrokemijskim standardima do moderne definicije vezane za amper i sekundu.

• 1881: Prvi praktični kulon definiran preko standarda posrebrivanja
• 1893: Svjetska izložba u Chicagu standardizira kulon za međunarodnu upotrebu
• 1948: CGPM definira kulon kao 1 amper-sekundu (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Amper definiran silom između paralelnih vodiča, čineći kulon neizravnim
• Problem: Definiciju ampera zasnovanu na sili bilo je teško realizirati s visokom preciznošću
• 1990-ih-2010-ih: Kvantna metrologija (Josephsonov efekt, kvantni Hallov efekt) omogućuje brojanje elektrona

Dana 20. svibnja 2019., elementarni naboj je fiksiran točno, redefinirajući amper i čineći kulon reproducibilnim iz fundamentalnih konstanti.

• Nova definicija: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C točno (nulta nesigurnost po definiciji)
• Elementarni naboj je sada definirana konstanta, a ne mjerena vrijednost
• 1 kulon = 6.241509074 × 10¹⁸ elementarnih naboja (točno)
• Uređaji za tuneliranje jednog elektrona mogu brojati elektrone jedan po jedan za precizne standarde naboja
• Trokut kvantne metrologije: napon (Josephson), otpor (kvantni Hall), struja (elektronska pumpa)
• Rezultat: Svaki laboratorij s kvantnom opremom može samostalno realizirati kulon

Redefinicija iz 2019. predstavlja više od 135 godina napretka od elektrokemijskih standarda do kvantne preciznosti, omogućavajući elektroniku i pohranu energije nove generacije.

• Tehnologija baterija: Preciznija mjerenja kapaciteta za električna vozila, pohranu u mreži
• Kvantno računanje: Precizna kontrola naboja u kubitima i tranzistorima s jednim elektronom
• Metrologija: Nacionalni laboratoriji mogu samostalno realizirati kulon bez referentnih artefakata
• Kemija: Faradayeva konstanta je sada točna, poboljšava proračune u elektrokemiji
• Potrošačka elektronika: Bolji standardi za ocjene kapaciteta baterija i protokole brzog punjenja

• Prečac od mAh do C: Pomnožite s 3.6 → 1000 mAh = 3600 C točno
• Ah do C: Pomnožite s 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 amper za 1 sat)
• Brzo mAh do Wh (3.7V): Podijelite s ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh do mAh (3.7V): Pomnožite s ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Elementarni naboj: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (zaokruženo od 1.602)
• Faradayeva konstanta: F ≈ 96,500 C/mol (zaokruženo od 96,485)

Razumijevanje ocjena baterija sprječava konfuziju između naboja (mAh), napona (V) i energije (Wh). Ova pravila štede vrijeme i novac.

• mAh mjeri NABOJ, ne snagu ili energiju — to je koliko elektrona možete pomjeriti
• Da biste dobili energiju: Wh = mAh × V ÷ 1000 (napon je kritičan!)
• Isti mAh na različitim naponima = različita energija (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Prijenosne baterije (Power banks): Očekujte 70-80% korisnog kapaciteta (gubici pri konverziji napona)
• Vrijeme rada = Kapacitet ÷ Struja: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 sati (idealno, dodajte 20% margine)
• Tipično za Li-ion: 3.7V nominalno, 4.2V puno, 3.0V prazno (korisni opseg ~80%)

• Naboj iz struje: Q = I × t (kuloni = amperi × sekunde)
• Vrijeme rada: t = Q / I (sati = amper-sati / amperi)
• Energija iz naboja: E = Q × V (vat-sati = amper-sati × volti)
• Prilagođeno učinkovitosti: Korisno = Ocijenjeno × 0.8 (uračunajte gubitke)
• Elektroliza: Q = n × F (kuloni = molovi elektrona × Faradayeva konstanta)
• Energija kondenzatora: E = ½CV² (džuli = ½ farada × volti²)

• Miješanje mAh s mWh — naboj naspram energije (potreban je napon za konverziju!)
• Ignoriranje napona prilikom usporedbe baterija — koristite Wh za usporedbu energije
• Očekivanje 100% učinkovitosti prijenosne baterije — 20-30% se gubi na toplinu i konverziju napona
• Miješanje C (kuloni) s C (stopa pražnjenja) — potpuno različita značenja!
• Pretpostavka da je mAh = vrijeme rada — trebate znati potrošnju struje (vrijeme rada = mAh ÷ mA)
• Duboko pražnjenje Li-ion baterija ispod 20% — skraćuje vijek trajanja, ocijenjeni kapacitet ≠ korisni kapacitet

Kulon (C) je osnovna SI jedinica za naboj. Definirana iz ampera i sekunde: 1 C = 1 A·s. Prefiksi od piko do kilo pokrivaju sve praktične opsege.

• 1 C = 1 A·s (točna definicija)
• mC, µC, nC za male naboje
• pC, fC, aC za kvantni/precizni rad
• kC za velike industrijske sustave

Amper-sat (Ah) i miliamper-sat (mAh) su standard za baterije. Praktične jer se izravno odnose na potrošnju struje i vrijeme rada. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — pametni telefoni, tableti, slušalice
• Ah — prijenosna računala, električni alati, akumulatori
• kAh — električna vozila, industrijski UPS
• Wh — energetski kapacitet (ovisi o naponu)

Elementarni naboj (e) je fundamentalna jedinica u fizici. Faradayeva konstanta u kemiji. CGS jedinice (statkulon, abkulon) u starim udžbenicima.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (elementarni naboj)
• F = 96,485 C (Faradayeva konstanta)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Sav naboj je kvantiziran u višekratnicima elementarnog naboja e. Ne možete imati 1.5 elektrona. Kvarkovi imaju frakcijski naboj (⅓e, ⅔e) ali nikada ne postoje sami.

• Najmanji slobodni naboj: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Elektron: -1e, Proton: +1e
• Svi objekti imaju N×e naboj (cijeli broj N)
• Millikanov eksperiment s kapljicom ulja dokazao je kvantizaciju (1909)

1 mol elektrona nosi 96,485 C naboja. Naziva se Faradayeva konstanta (F). Fundamentalna za elektrokemiju i kemiju baterija.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mol e⁻ = 6.022×10²³ elektrona
• Koristi se u proračunima elektrolize
• Povezuje naboj s kemijskim reakcijama

Sila između naboja: F = k(q₁q₂/r²). Isti naboji se odbijaju, suprotni se privlače. Fundamentalna sila prirode. Objašnjava svu kemiju i elektroniku.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (produkt naboja)
• F ∝ 1/r² (zakon inverznog kvadrata)
• Objašnjava atomsku strukturu, vezivanje

Svaki uređaj na baterije ima ocjenu kapaciteta. Pametni telefoni: 2500-5000 mAh. Prijenosna računala: 40-100 Wh. Prijenosne baterije: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (ograničenje zrakoplovnih tvrtki)
• AirPods: ~500 mAh (kombinirano)
• Prijenosna baterija: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Baterije za EV su ocijenjene u kWh (energija), ali kapacitet je u kAh na naponu paketa. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Ogromno u usporedbi s telefonima!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Punjenje EV: 50-350 kW DC brzo
• Kućno punjenje: ~7 kW (32A @ 220V)

Galvanizacija, elektroliza, kondenzatorske banke, UPS sustavi svi uključuju velike prijenose naboja. Industrijski UPS: 100+ kAh kapaciteta. Superkondenzatori: faradi (C/V).

• Galvanizacija: 10-1000 Ah procesi
• Industrijski UPS: 100+ kAh rezervnog napajanja
• Superkondenzator: 3000 F = 3000 C/V
• Udar munje: ~15 C tipično

Pomnožite mAh s 3.6 da biste dobili kulone. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (točno)
• 1 Ah = 3600 C
• Brzo: mAh × 3.6 → C
• Primjer: 3000 mAh = 10,800 C

Podijelite mAh s ~270 za Wh na 3.7V Li-ion naponu.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Na 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Napon je bitan za energiju!

Vrijeme rada (h) = Baterija (mAh) ÷ Struja (mA). 3000 mAh na 300 mA = 10 sati.

• Vrijeme rada = Kapacitet ÷ Struja
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Veća struja = kraće vrijeme rada
• Gubici učinkovitosti: očekujte 80-90%

Baterija od 3500 mAh. Aplikacija koristi 350 mA. Koliko dugo dok se ne isprazni?

Vrijeme rada = Kapacitet ÷ Struja = 3500 ÷ 350 = 10 sati (idealno). Realno: ~8-9h (gubici učinkovitosti).

Prijenosna baterija od 20,000 mAh. Punite telefon od 3,000 mAh. Koliko punih punjenja?

Uračunajte učinkovitost (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 efektivno. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 punjenja.

Nanesite 1 mol bakra (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Koliko kulona?

2 mola e⁻ po molu Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

Vaše tijelo ima ~10²⁸ protona i jednak broj elektrona. Ako biste izgubili 0.01% elektrona, osjetili biste 10⁹ njutna odbojnosti—dovoljno da sruši zgrade!

Udar munje: samo ~15 C naboja, ali 1 milijarda volti! Energija = Q×V, pa 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. To je 4.2 MWh—moglo bi napajati vaš dom mjesecima!

Klasična znanstvena demonstracija stvara naboj do milijuna volti. Ukupan naboj? Samo ~10 µC. Šokantno, ali sigurno—niska struja. Napon ≠ opasnost, struja ubija.

Akumulator automobila: 60 Ah = 216,000 C, oslobađa se satima. Superkondenzator: 3000 F = 3000 C/V, oslobađa se u sekundama. Gustoća energije naspram gustoće snage.

1909: Millikan je izmjerio elementarni naboj gledajući kako padaju naelektrizirane kapljice ulja. Pronašao je e = 1.592×10⁻¹⁹ C (moderno: 1.602). Dobio je Nobelovu nagradu 1923.

Kvantizacija naboja elektrona je toliko precizna da se koristi za definiranje standarda otpora. Preciznost: 1 dio na 10⁹. Fundamentalne konstante definiraju sve jedinice od 2019.

mAh mjeri naboj (koliko elektrona). Wh mjeri energiju (naboj × napon). Isti mAh na različitim naponima = različita energija. Koristite Wh za usporedbu baterija na različitim naponima. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Ocijenjeni kapacitet je nominalni, a ne korisni. Li-ion: prazni se od 4.2V (puna) do 3.0V (prazna), ali zaustavljanje na 20% čuva vijek trajanja. Gubici pri konverziji, toplina i starenje smanjuju efektivni kapacitet. Očekujte 80-90% ocijenjenog.

Nije jednostavno omjer kapaciteta. Prijenosna baterija od 20,000 mAh: ~70-80% učinkovita (konverzija napona, toplina). Efektivno: 16,000 mAh. Za telefon od 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 punjenja. U stvarnosti: 4-5.

Elementarni naboj (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) je naboj jednog protona ili elektrona. Sav naboj je kvantiziran u višekratnicima e. Fundamentalno za kvantnu mehaniku, definira konstantu fine strukture. Od 2019. e je točno po definiciji.

Da! Negativan naboj znači višak elektrona, pozitivan znači manjak. Ukupan naboj je algebarski (može se poništiti). Elektroni: -e. Protoni: +e. Objekti: obično skoro neutralni (jednako + i -). Isti naboji se odbijaju, suprotni se privlače.

Li-ion: kemijske reakcije polako degradiraju materijale elektroda. Svaki ciklus punjenja uzrokuje male nepovratne promjene. Duboko pražnjenje (<20%), visoka temperatura, brzo punjenje ubrzavaju starenje. Moderne baterije: 500-1000 ciklusa do 80% kapaciteta.