Muatan listrik adalah sifat fisik yang menyebabkan partikel mengalami gaya elektromagnetik. Hadir dalam bentuk positif dan negatif. Muatan sejenis saling tolak-menolak, muatan berlawanan saling tarik-menarik. Fundamental bagi semua kimia dan elektronik.

• 1 coulomb = 6.24×10¹⁸ elektron
• Proton: +1e, Elektron: -1e
• Muatan dilestarikan (tidak pernah diciptakan/dihancurkan)
• Terkuantisasi dalam kelipatan e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Arus (I) adalah laju aliran muatan. Q = I × t. 1 ampere = 1 coulomb per detik. Kapasitas baterai dalam Ah adalah muatan, bukan arus. 1 Ah = 3600 C.

• Arus = muatan per waktu (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (definisi)
• 1 Ah = 3600 C (1 ampere selama 1 jam)
• mAh adalah kapasitas muatan, bukan daya

Baterai menyimpan muatan. Dinilai dalam Ah atau mAh (muatan) atau Wh (energi). Wh = Ah × Tegangan. Baterai ponsel: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Tegangan penting untuk energi, bukan muatan.

• mAh = miliampere-jam (muatan)
• Wh = watt-jam (energi = muatan × tegangan)
• mAh lebih tinggi = waktu pakai lebih lama (tegangan sama)
• 3000 mAh ≈ 10,800 coulomb

Sebelum memahami muatan secara kuantitatif, para ilmuwan menjelajahi listrik statis dan 'fluida listrik' yang misterius. Penemuan baterai memungkinkan pengukuran aliran muatan kontinu yang presisi.

• 1600: William Gilbert membedakan listrik dari magnetisme, menciptakan istilah 'listrik'
• 1733: Charles du Fay menemukan dua jenis listrik (positif dan negatif)
• 1745: Stoples Leyden ditemukan — kapasitor pertama, menyimpan muatan yang dapat diukur
• 1785: Coulomb menerbitkan hukum kuadrat terbalik F = k(q₁q₂/r²) untuk gaya listrik
• 1800: Volta menemukan baterai — memungkinkan aliran muatan yang kontinu dan terukur
• 1833: Faraday menemukan hukum elektrolisis — menghubungkan muatan dengan kimia (konstanta Faraday)

Coulomb berevolusi dari definisi praktis berdasarkan standar elektrokimia menjadi definisi modern yang terkait dengan ampere dan detik.

• 1881: Coulomb praktis pertama didefinisikan melalui standar pelapisan perak
• 1893: Pameran Dunia Chicago menstandarisasi coulomb untuk penggunaan internasional
• 1948: CGPM mendefinisikan coulomb sebagai 1 ampere-detik (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Ampere didefinisikan oleh gaya antara konduktor paralel, membuat coulomb tidak langsung
• Masalah: Definisi ampere berbasis gaya sulit diwujudkan dengan presisi tinggi
• 1990-an-2010-an: Metrologi kuantum (efek Josephson, efek Hall kuantum) memungkinkan penghitungan elektron

Pada 20 Mei 2019, muatan elementer ditetapkan secara eksak, mendefinisikan ulang ampere dan membuat coulomb dapat direproduksi dari konstanta fundamental.

• Definisi baru: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C secara eksak (ketidakpastian nol berdasarkan definisi)
• Muatan elementer sekarang menjadi konstanta yang didefinisikan, bukan nilai yang diukur
• 1 coulomb = 6.241509074 × 10¹⁸ muatan elementer (eksak)
• Perangkat penerowongan elektron tunggal dapat menghitung elektron satu per satu untuk standar muatan yang presisi
• Segitiga metrologi kuantum: tegangan (Josephson), resistansi (Hall kuantum), arus (pompa elektron)
• Hasil: Laboratorium mana pun dengan peralatan kuantum dapat merealisasikan coulomb secara mandiri

Redefinisi 2019 mewakili kemajuan lebih dari 135 tahun dari standar elektrokimia ke presisi kuantum, memungkinkan elektronik dan penyimpanan energi generasi berikutnya.

• Teknologi baterai: Pengukuran kapasitas yang lebih akurat untuk kendaraan listrik, penyimpanan jaringan
• Komputasi kuantum: Kontrol muatan yang presisi dalam qubit dan transistor elektron tunggal
• Metrologi: Laboratorium nasional dapat merealisasikan coulomb secara mandiri tanpa artefak referensi
• Kimia: Konstanta Faraday sekarang eksak, meningkatkan perhitungan elektrokimia
• Elektronik konsumen: Standar yang lebih baik untuk peringkat kapasitas baterai dan protokol pengisian cepat

• Jalan pintas mAh ke C: Kalikan dengan 3.6 → 1000 mAh = 3600 C secara eksak
• Ah ke C: Kalikan dengan 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 ampere selama 1 jam)
• Cepat mAh ke Wh (3.7V): Bagi dengan ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh ke mAh (3.7V): Kalikan dengan ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Muatan elementer: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (dibulatkan dari 1.602)
• Konstanta Faraday: F ≈ 96,500 C/mol (dibulatkan dari 96,485)

Memahami peringkat baterai mencegah kebingungan antara muatan (mAh), tegangan (V), dan energi (Wh). Aturan ini menghemat waktu dan uang.

• mAh mengukur MUATAN, bukan daya atau energi — ini adalah berapa banyak elektron yang dapat Anda pindahkan
• Untuk mendapatkan energi: Wh = mAh × V ÷ 1000 (tegangan sangat penting!)
• mAh yang sama pada tegangan yang berbeda = energi yang berbeda (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Bank daya: Harapkan kapasitas yang dapat digunakan 70-80% (kerugian konversi tegangan)
• Waktu pakai = Kapasitas ÷ Arus: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 jam (ideal, tambahkan margin 20%)
• Li-ion tipikal: 3.7V nominal, 4.2V penuh, 3.0V kosong (rentang yang dapat digunakan ~80%)

• Muatan dari arus: Q = I × t (coulomb = ampere × detik)
• Waktu pakai: t = Q / I (jam = ampere-jam / ampere)
• Energi dari muatan: E = Q × V (watt-jam = ampere-jam × volt)
• Disesuaikan dengan efisiensi: Dapat digunakan = Dinilai × 0.8 (perhitungkan kerugian)
• Elektrolisis: Q = n × F (coulomb = mol elektron × konstanta Faraday)
• Energi kapasitor: E = ½CV² (joule = ½ farad × volt²)

• Mencampuradukkan mAh dengan mWh — muatan vs. energi (perlu tegangan untuk mengonversi!)
• Mengabaikan tegangan saat membandingkan baterai — gunakan Wh untuk perbandingan energi
• Mengharapkan efisiensi bank daya 100% — 20-30% hilang karena panas dan konversi tegangan
• Mencampuradukkan C (coulomb) dengan C (tingkat pengosongan) — arti yang sama sekali berbeda!
• Mengasumsikan mAh = waktu pakai — perlu mengetahui penarikan arus (waktu pakai = mAh ÷ mA)
• Mengosongkan Li-ion secara mendalam di bawah 20% — memperpendek masa pakai, kapasitas terukur ≠ kapasitas yang dapat digunakan

Coulomb (C) adalah satuan dasar SI untuk muatan. Didefinisikan dari ampere dan detik: 1 C = 1 A·s. Awalan dari piko hingga kilo mencakup semua rentang praktis.

• 1 C = 1 A·s (definisi eksak)
• mC, µC, nC untuk muatan kecil
• pC, fC, aC untuk pekerjaan kuantum/presisi
• kC untuk sistem industri besar

Ampere-jam (Ah) dan miliampere-jam (mAh) adalah standar untuk baterai. Praktis karena berhubungan langsung dengan penarikan arus dan waktu pakai. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — smartphone, tablet, earbud
• Ah — laptop, perkakas listrik, aki mobil
• kAh — kendaraan listrik, UPS industri
• Wh — kapasitas energi (tergantung tegangan)

Muatan elementer (e) adalah satuan fundamental dalam fisika. Konstanta Faraday dalam kimia. Satuan CGS (statcoulomb, abcoulomb) dalam buku teks lama.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (muatan elementer)
• F = 96,485 C (konstanta Faraday)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Semua muatan terkuantisasi dalam kelipatan muatan elementer e. Anda tidak bisa memiliki 1,5 elektron. Kuark memiliki muatan pecahan (⅓e, ⅔e) tetapi tidak pernah ada sendirian.

• Muatan bebas terkecil: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Elektron: -1e, Proton: +1e
• Semua objek memiliki muatan N×e (N bilangan bulat)
• Percobaan tetes minyak Millikan membuktikan kuantisasi (1909)

1 mol elektron membawa muatan 96,485 C. Disebut konstanta Faraday (F). Fundamental untuk elektrokimia dan kimia baterai.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mol e⁻ = 6.022×10²³ elektron
• Digunakan dalam perhitungan elektrolisis
• Menghubungkan muatan dengan reaksi kimia

Gaya antar muatan: F = k(q₁q₂/r²). Muatan sejenis saling tolak-menolak, muatan berlawanan saling tarik-menarik. Gaya fundamental alam. Menjelaskan semua kimia dan elektronik.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (produk muatan)
• F ∝ 1/r² (hukum kuadrat terbalik)
• Menjelaskan struktur atom, ikatan

Setiap perangkat bertenaga baterai memiliki peringkat kapasitas. Smartphone: 2500-5000 mAh. Laptop: 40-100 Wh. Bank daya: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (batas maskapai)
• AirPods: ~500 mAh (gabungan)
• Bank daya: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Baterai EV dinilai dalam kWh (energi), tetapi kapasitasnya adalah kAh pada tegangan paket. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Sangat besar dibandingkan dengan ponsel!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Pengisian daya EV: 50-350 kW DC cepat
• Pengisian daya di rumah: ~7 kW (32A @ 220V)

Elektroplating, elektrolisis, bank kapasitor, sistem UPS semuanya melibatkan transfer muatan besar. UPS industri: kapasitas 100+ kAh. Superkapasitor: farad (C/V).

• Elektroplating: proses 10-1000 Ah
• UPS industri: cadangan 100+ kAh
• Superkapasitor: 3000 F = 3000 C/V
• Sambaran petir: ~15 C tipikal

Kalikan mAh dengan 3.6 untuk mendapatkan coulomb. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (eksak)
• 1 Ah = 3600 C
• Cepat: mAh × 3.6 → C
• Contoh: 3000 mAh = 10,800 C

Bagi mAh dengan ~270 untuk Wh pada tegangan Li-ion 3.7V.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Pada 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Tegangan penting untuk energi!

Waktu pakai (jam) = Baterai (mAh) ÷ Arus (mA). 3000 mAh pada 300 mA = 10 jam.

• Waktu pakai = Kapasitas ÷ Arus
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 jam
• Arus lebih tinggi = waktu pakai lebih pendek
• Kerugian efisiensi: harapkan 80-90%

Baterai 3500 mAh. Aplikasi menggunakan 350 mA. Berapa lama hingga mati?

Waktu pakai = Kapasitas ÷ Arus = 3500 ÷ 350 = 10 jam (ideal). Nyata: ~8-9 jam (kerugian efisiensi).

Bank daya 20,000 mAh. Isi daya ponsel 3,000 mAh. Berapa kali pengisian penuh?

Perhitungkan efisiensi (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 efektif. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 kali pengisian.

Endapkan 1 mol tembaga (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Berapa coulomb?

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

Tubuh Anda memiliki ~10²⁸ proton dan jumlah elektron yang sama. Jika Anda kehilangan 0.01% elektron, Anda akan merasakan tolakan sebesar 10⁹ newton—cukup untuk menghancurkan gedung!

Sambaran petir: hanya ~15 C muatan, tetapi 1 miliar volt! Energi = Q×V, jadi 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Itu 4.2 MWh—bisa memberi daya pada rumah Anda selama berbulan-bulan!

Demo sains klasik membangun muatan hingga jutaan volt. Muatan total? Hanya ~10 µC. Mengejutkan tapi aman—arus rendah. Tegangan ≠ bahaya, arus membunuh.

Aki mobil: 60 Ah = 216,000 C, dilepaskan selama berjam-jam. Superkapasitor: 3000 F = 3000 C/V, dilepaskan dalam hitungan detik. Kepadatan energi vs. kepadatan daya.

1909: Millikan mengukur muatan elementer dengan mengamati tetesan minyak bermuatan yang jatuh. Ia menemukan e = 1.592×10⁻¹⁹ C (modern: 1.602). Memenangkan Hadiah Nobel 1923.

Kuantisasi muatan elektron sangat presisi, digunakan untuk mendefinisikan standar resistansi. Akurasi: 1 bagian dalam 10⁹. Konstanta fundamental mendefinisikan semua unit sejak 2019.

mAh mengukur muatan (berapa banyak elektron). Wh mengukur energi (muatan × tegangan). mAh yang sama pada tegangan yang berbeda = energi yang berbeda. Gunakan Wh untuk membandingkan baterai di berbagai tegangan. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Kapasitas terukur adalah nominal, bukan yang dapat digunakan. Li-ion: mengosongkan dari 4.2V (penuh) ke 3.0V (kosong), tetapi berhenti pada 20% menjaga masa pakai. Kerugian konversi, panas, dan penuaan mengurangi kapasitas efektif. Harapkan 80-90% dari yang terukur.

Bukan sekadar rasio kapasitas. Bank daya 20,000 mAh: ~70-80% efisien (konversi tegangan, panas). Efektif: 16,000 mAh. Untuk ponsel 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 kali pengisian. Di dunia nyata: 4-5.

Muatan elementer (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) adalah muatan satu proton atau elektron. Semua muatan terkuantisasi dalam kelipatan e. Fundamental untuk mekanika kuantum, mendefinisikan konstanta struktur halus. Sejak 2019, e adalah eksak berdasarkan definisi.

Ya! Muatan negatif berarti kelebihan elektron, positif berarti kekurangan. Muatan total bersifat aljabar (dapat saling meniadakan). Elektron: -e. Proton: +e. Benda: biasanya mendekati netral (jumlah + dan - sama). Muatan sejenis saling tolak-menolak, muatan berlawanan saling tarik-menarik.

Li-ion: reaksi kimia perlahan-lahan mendegradasi bahan elektroda. Setiap siklus pengisian menyebabkan perubahan kecil yang tidak dapat diubah. Pengosongan mendalam (<20%), suhu tinggi, pengisian cepat mempercepat penuaan. Baterai modern: 500-1000 siklus hingga kapasitas 80%.