Az elektromos töltés az a fizikai tulajdonság, amely miatt a részecskék elektromágneses erőt tapasztalnak. Létezik pozitív és negatív formában. Az azonos töltések taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást. Alapvető a teljes kémia és elektronika számára.

• 1 coulomb = 6.24×10¹⁸ elektron
• Proton: +1e, Elektron: -1e
• A töltés megmarad (soha nem keletkezik/pusztul el)
• Az e = 1.602×10⁻¹⁹ C többszöröseiben kvantált

Az áram (I) a töltés áramlási sebessége. Q = I × t. 1 amper = 1 coulomb másodpercenként. Az akkumulátor kapacitása Ah-ban töltés, nem áram. 1 Ah = 3600 C.

• Áram = töltés időegység alatt (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (definíció)
• 1 Ah = 3600 C (1 amper 1 órán keresztül)
• A mAh töltéskapacitás, nem teljesítmény

Az akkumulátorok töltést tárolnak. Ah-ban vagy mAh-ban (töltés) vagy Wh-ban (energia) értékelik. Wh = Ah × Feszültség. Telefon akkumulátora: 3000 mAh @ 3,7V ≈ 11 Wh. A feszültség az energiához számít, nem a töltéshez.

• mAh = milliamperóra (töltés)
• Wh = wattóra (energia = töltés × feszültség)
• Nagyobb mAh = hosszabb üzemidő (azonos feszültségen)
• 3000 mAh ≈ 10 800 coulomb

Mielőtt a töltést mennyiségileg megértették volna, a tudósok a statikus elektromosságot és a rejtélyes „elektromos fluidumot” kutatták. Az elemek feltalálása lehetővé tette a folyamatos töltésáramlás pontos mérését.

• 1600: William Gilbert megkülönbözteti az elektromosságot a mágnesességtől, megalkotja az „elektromos” kifejezést
• 1733: Charles du Fay felfedezi az elektromosság két típusát (pozitív és negatív)
• 1745: Feltalálják a leideni palackot — az első kondenzátort, amely mérhető töltést tárol
• 1785: Coulomb közzéteszi az inverz négyzetes törvényt F = k(q₁q₂/r²) az elektromos erőre
• 1800: Volta feltalálja az elemet — lehetővé teszi a folyamatos, mérhető töltésáramlást
• 1833: Faraday felfedezi az elektrolízis törvényeit — összekapcsolja a töltést a kémiával (Faraday-állandó)

A coulomb az elektrokémiai szabványokon alapuló gyakorlati definíciókból fejlődött ki a modern, az amperhez és a másodperchez kötött definícióig.

• 1881: Az első gyakorlati coulombot ezüst galvanizálási szabvány segítségével definiálták
• 1893: A Chicagói Világkiállítás nemzetközi használatra szabványosítja a coulombot
• 1948: A CGPM a coulombot 1 amper-szekundumként (1 C = 1 A·s) definiálja
• 1960-2018: Az ampert párhuzamos vezetők közötti erővel definiálták, ami a coulombot közvetetté tette
• Probléma: Az amper erőalapú definícióját nehéz volt nagy pontossággal megvalósítani
• 1990-es-2010-es évek: A kvantummetrológia (Josephson-effektus, kvantum Hall-effektus) lehetővé teszi az elektronok számlálását

2019. május 20-án az elemi töltést pontosan rögzítették, újradefiniálva az ampert és a coulombot alapvető állandókból reprodukálhatóvá téve.

• Új definíció: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C pontosan (nulla bizonytalanság definíció szerint)
• Az elemi töltés most egy definiált állandó, nem mért érték
• 1 coulomb = 6.241509074 × 10¹⁸ elemi töltés (pontos)
• Az egyelektronos alagúteszközök egyenként számolhatják az elektronokat a pontos töltési szabványok érdekében
• Kvantummetrológiai háromszög: feszültség (Josephson), ellenállás (kvantum Hall), áram (elektronpumpa)
• Eredmény: Bármely kvantumfelszereléssel rendelkező laboratórium önállóan megvalósíthatja a coulombot

A 2019-es újradefiniálás több mint 135 év fejlődést jelent az elektrokémiai szabványoktól a kvantum pontosságig, lehetővé téve a következő generációs elektronikát és energiatárolást.

• Akkumulátor technológia: Pontosabb kapacitásmérések elektromos járművekhez, hálózati tároláshoz
• Kvantumszámítástechnika: Pontos töltésvezérlés qubitekben és egyelektronos tranzisztorokban
• Metrológia: A nemzeti laboratóriumok önállóan megvalósíthatják a coulombot referencia-artefaktumok nélkül
• Kémia: A Faraday-állandó most már egzakt, javítja az elektrokémiai számításokat
• Fogyasztói elektronika: Jobb szabványok az akkumulátor kapacitásának értékeléséhez és a gyorstöltési protokollokhoz

• mAh → C gyorsbillentyű: Szorozd meg 3,6-del → 1000 mAh = 3600 C pontosan
• Ah → C: Szorozd meg 3600-zal → 1 Ah = 3600 C (1 amper 1 órán keresztül)
• Gyors mAh → Wh (3,7V): Oszd el kb. 270-nel → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh → mAh (3,7V): Szorozd meg kb. 270-nel → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Elemi töltés: e ≈ 1,6 × 10⁻¹⁹ C (1,602-ből kerekítve)
• Faraday-állandó: F ≈ 96 500 C/mol (96 485-ből kerekítve)

Az akkumulátor értékeléseinek megértése megakadályozza a töltés (mAh), a feszültség (V) és az energia (Wh) közötti zavart. Ezek a szabályok időt és pénzt takarítanak meg.

• A mAh a TÖLTÉST méri, nem a teljesítményt vagy az energiát — azt, hogy hány elektront tudsz mozgatni
• Az energia megszerzéséhez: Wh = mAh × V ÷ 1000 (a feszültség kritikus!)
• Ugyanaz a mAh különböző feszültségen = különböző energia (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Power bankok: 70-80% használható kapacitásra számíts (feszültségátalakítási veszteségek)
• Üzemidő = Kapacitás ÷ Áram: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 óra (ideális, adj hozzá 20% ráhagyást)
• Tipikus Li-ion: 3,7V névleges, 4,2V tele, 3,0V üres (használható tartomány ~80%)

• Töltés áramból: Q = I × t (coulomb = amper × másodperc)
• Üzemidő: t = Q / I (óra = amperóra / amper)
• Energia töltésből: E = Q × V (wattóra = amperóra × volt)
• Hatékonysággal korrigált: Használható = Névleges × 0,8 (vedd figyelembe a veszteségeket)
• Elektrolízis: Q = n × F (coulomb = elektronok móljai × Faraday-állandó)
• Kondenzátor energiája: E = ½CV² (joule = ½ farad × volt²)

• A mAh és a mWh összekeverése — töltés vs. energia (a feszültség szükséges az átváltáshoz!)
• A feszültség figyelmen kívül hagyása az akkumulátorok összehasonlításakor — használj Wh-t az energia-összehasonlításhoz
• 100%-os power bank hatékonyság elvárása — 20-30% elvész hő és feszültségátalakítás miatt
• A C (coulomb) és a C (kisütési ráta) összekeverése — teljesen különböző jelentések!
• Feltételezés, hogy a mAh = üzemidő — ismerni kell az áramfelvételt (üzemidő = mAh ÷ mA)
• A Li-ion akkumulátorok mélykisütése 20% alá — lerövidíti az élettartamot, névleges kapacitás ≠ használható kapacitás

A coulomb (C) az SI alapegysége a töltésnek. Az amperből és a másodpercből definiálják: 1 C = 1 A·s. A piko-tól a kilo-ig terjedő prefixumok minden gyakorlati tartományt lefednek.

• 1 C = 1 A·s (pontos definíció)
• mC, µC, nC kis töltésekhez
• pC, fC, aC kvantum/precíziós munkához
• kC nagy ipari rendszerekhez

Az amperóra (Ah) és a milliamperóra (mAh) az akkumulátorok standard egységei. Praktikusak, mert közvetlenül kapcsolódnak az áramfelvételhez és az üzemidőhöz. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — okostelefonok, táblagépek, fülhallgatók
• Ah — laptopok, elektromos szerszámok, autóakkumulátorok
• kAh — elektromos járművek, ipari UPS-ek
• Wh — energiakapacitás (feszültségfüggő)

Az elemi töltés (e) a fizika alapvető egysége. A Faraday-állandó a kémiában. A CGS egységek (statcoulomb, abcoulomb) régi tankönyvekben találhatók.

• e = 1,602×10⁻¹⁹ C (elemi töltés)
• F = 96 485 C (Faraday-állandó)
• 1 statC ≈ 3,34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Minden töltés az elemi töltés, e, többszöröseiben kvantált. Nem lehet 1,5 elektronod. A kvarkoknak törttöltésük van (⅓e, ⅔e), de soha nem léteznek egyedül.

• Legkisebb szabad töltés: 1e = 1,602×10⁻¹⁹ C
• Elektron: -1e, Proton: +1e
• Minden objektumnak N×e töltése van (N egész szám)
• Millikan olajcsepp-kísérlete bizonyította a kvantálást (1909)

1 mól elektron 96 485 C töltést hordoz. Ezt Faraday-állandónak (F) nevezik. Alapvető az elektrokémia és az akkumulátor-kémia számára.

• F = 96 485,33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mól e⁻ = 6,022×10²³ elektron
• Elektrolízis számításokban használják
• Összekapcsolja a töltést a kémiai reakciókkal

Erő a töltések között: F = k(q₁q₂/r²). Az azonos töltések taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást. A természet alapvető ereje. Megmagyarázza az összes kémiát és elektronikát.

• k = 8,99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (a töltések szorzata)
• F ∝ 1/r² (inverz négyzetes törvény)
• Megmagyarázza az atomszerkezetet, a kötéseket

Minden akkumulátorral működő eszköznek van kapacitásértékelése. Okostelefonok: 2500-5000 mAh. Laptopok: 40-100 Wh. Power bankok: 10 000-30 000 mAh.

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

Az EV akkumulátorokat kWh-ban (energia) értékelik, de a kapacitás kAh-ban van a csomag feszültségén. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Hatalmas a telefonokhoz képest!

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

A galvanizálás, az elektrolízis, a kondenzátorbankok, az UPS rendszerek mind nagy töltésátvitelt jelentenek. Ipari UPS: 100+ kAh kapacitás. Szuperkondenzátorok: farad (C/V).

• Galvanizálás: 10-1000 Ah folyamatok
• Ipari UPS: 100+ kAh biztonsági mentés
• Szuperkondenzátor: 3000 F = 3000 C/V
• Villámcsapás: ~15 C jellemző

Szorozd meg a mAh-t 3,6-del, hogy coulombot kapj. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3,6 C (pontos)
• 1 Ah = 3600 C
• Gyorsan: mAh × 3,6 → C
• Példa: 3000 mAh = 10 800 C

Oszd el a mAh-t kb. 270-nel, hogy Wh-t kapj 3,7V-os Li-ion feszültségen.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• 3,7V-on: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3,7V = 11,1 Wh
• A feszültség számít az energiánál!

Üzemidő (h) = Akkumulátor (mAh) ÷ Áram (mA). 3000 mAh 300 mA-en = 10 óra.

• Üzemidő = Kapacitás ÷ Áram
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Nagyobb áram = rövidebb üzemidő
• Hatékonysági veszteségek: számíts 80-90%-ra

3500 mAh-s akkumulátor. Az alkalmazás 350 mA-t használ. Mennyi idő múlva merül le?

Üzemidő = Kapacitás ÷ Áram = 3500 ÷ 350 = 10 óra (ideális). Valóságban: ~8-9 óra (hatékonysági veszteségek).

20 000 mAh-s power bank. 3 000 mAh-s telefont tölteni. Hány teljes töltés?

Vedd figyelembe a hatékonyságot (~80%): 20 000 × 0,8 = 16 000 effektív. 16 000 ÷ 3 000 = 5,3 töltés.

Válassz le 1 mól rezet (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Hány coulomb?

2 mól e⁻ mól rézre. 2 × F = 2 × 96 485 = 192 970 C ≈ 53,6 Ah.

A testedben ~10²⁸ proton és ugyanannyi elektron van. Ha elveszítenéd az elektronok 0,01%-át, 10⁹ newton taszítóerőt éreznél — elég ahhoz, hogy épületeket döntsön össze!

Egy villámcsapás: csak ~15 C töltés, de 1 milliárd volt! Energia = Q×V, tehát 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Ez 4,2 MWh — hónapokig elláthatná a házadat!

A klasszikus tudományos bemutató több millió voltos töltést hoz létre. Teljes töltés? Csak ~10 µC. Sokkoló, de biztonságos — alacsony áram. Feszültség ≠ veszély, az áram öl.

Autóakkumulátor: 60 Ah = 216 000 C, órák alatt szabadul fel. Szuperkondenzátor: 3000 F = 3000 C/V, másodpercek alatt szabadul fel. Energiasűrűség vs. teljesítménysűrűség.

1909: Millikan megmérte az elemi töltést töltött olajcseppek esését figyelve. e = 1,592×10⁻¹⁹ C-t talált (modern: 1,602). 1923-ban Nobel-díjat nyert.

Az elektron töltésének kvantálása olyan pontos, hogy az ellenállás szabványának definiálására használják. Pontosság: 1 rész 10⁹-ből. Az alapvető állandók 2019 óta minden egységet definiálnak.

A mAh a töltést méri (hány elektron). A Wh az energiát méri (töltés × feszültség). Ugyanaz a mAh különböző feszültségen = különböző energia. Használj Wh-t az akkumulátorok összehasonlításához különböző feszültségeken. Wh = mAh × V ÷ 1000.

A névleges kapacitás nem a használható kapacitás. Li-ion: 4,2V-ról (tele) 3,0V-ra (üres) merül, de 20%-nál megállva megőrzi az élettartamot. Az átalakítási veszteségek, a hő és az öregedés csökkentik a tényleges kapacitást. Számíts a névleges 80-90%-ára.

Ez nem egyszerűen a kapacitások aránya. Egy 20 000 mAh-s power bank: ~70-80%-os hatékonyságú (feszültségátalakítás, hő). Tényleges: 16 000 mAh. Egy 3 000 mAh-s telefonhoz: 16 000 ÷ 3 000 ≈ 5 töltés. A valóságban: 4-5.

Az elemi töltés (e = 1,602×10⁻¹⁹ C) egyetlen proton vagy elektron töltése. Minden töltés az e többszöröseiben kvantált. Alapvető a kvantummechanika számára, meghatározza a finomszerkezeti állandót. 2019 óta az e definíció szerint egzakt.

Igen! A negatív töltés elektronfelesleget, a pozitív hiányt jelent. A teljes töltés algebrai (kiolthatja egymást). Elektronok: -e. Protonok: +e. Tárgyak: általában közel semlegesek (egyenlő + és -). Az azonos töltések taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást.

Li-ion: a kémiai reakciók lassan lebontják az elektróda anyagait. Minden töltési ciklus apró, visszafordíthatatlan változásokat okoz. A mélykisülés (<20%), a magas hőmérséklet, a gyorstöltés felgyorsítják az öregedést. Modern akkumulátorok: 500-1000 ciklus 80%-os kapacitásig.