Elektriskais lādiņš ir fiziska īpašība, kas liek daļiņām izjust elektromagnētisko spēku. Pastāv pozitīvs un negatīvs. Vienādi lādiņi atgrūžas, pretēji pievelkas. Fundamentāls visai ķīmijai un elektronikai.

• 1 kulons = 6.24×10¹⁸ elektronu
• Protons: +1e, Elektrons: -1e
• Lādiņš tiek saglabāts (nekad netiek radīts/iznīcināts)
• Kvantēts e = 1.602×10⁻¹⁹ C daudzkārtņos

Strāva (I) ir lādiņa plūsmas ātrums. Q = I × t. 1 ampērs = 1 kulons sekundē. Baterijas ietilpība Ah ir lādiņš, nevis strāva. 1 Ah = 3600 C.

• Strāva = lādiņš laika vienībā (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (definīcija)
• 1 Ah = 3600 C (1 ampērs 1 stundu)
• mAh ir lādiņa ietilpība, nevis jauda

Baterijas uzglabā lādiņu. Vērtēts Ah vai mAh (lādiņš) vai Wh (enerģija). Wh = Ah × Spriegums. Telefona baterija: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Spriegums ir svarīgs enerģijai, nevis lādiņam.

• mAh = miliampērstunda (lādiņš)
• Wh = vatstunda (enerģija = lādiņš × spriegums)
• Lielāks mAh = ilgāks darbības laiks (tas pats spriegums)
• 3000 mAh ≈ 10,800 kulonu

Pirms lādiņa kvantitatīvas izpratnes zinātnieki pētīja statisko elektrību un noslēpumaino 'elektrisko šķidrumu'. Bateriju izgudrošana ļāva precīzi izmērīt nepārtrauktu lādiņa plūsmu.

• 1600: Viljams Gilberts atšķir elektrību no magnētisma, rada terminu 'elektrisks'
• 1733: Šarls du Fejs atklāj divu veidu elektrību (pozitīvu un negatīvu)
• 1745: Tiek izgudrota Leidenes burka — pirmais kondensators, kas uzglabā izmērāmu lādiņu
• 1785: Kulons publicē apgriezto kvadrātu likumu F = k(q₁q₂/r²) elektriskajam spēkam
• 1800: Volta izgudro bateriju — nodrošina nepārtrauktu, izmērāmu lādiņa plūsmu
• 1833: Faradejs atklāj elektrolīzes likumus — saista lādiņu ar ķīmiju (Faradeja konstante)

Kulons attīstījās no praktiskām definīcijām, kas balstītas uz elektroķīmiskiem standartiem, līdz modernai definīcijai, kas saistīta ar ampēru un sekundi.

• 1881: Pirmais praktiskais kulons definēts ar sudraba galvanizācijas standartu
• 1893: Čikāgas Pasaules izstāde standartizē kulonu starptautiskai lietošanai
• 1948: CGPM definē kulonu kā 1 ampērsekundi (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Ampērs definēts ar spēku starp paralēliem vadītājiem, padarot kulonu netiešu
• Problēma: Ampēra spēka balstīto definīciju bija grūti realizēt ar augstu precizitāti
• 1990.-2010. gadi: Kvantu metroloģija (Džozefsona efekts, kvantu Holla efekts) ļauj skaitīt elektronus

2019. gada 20. maijā elementārlādiņš tika fiksēts precīzi, pārdefinējot ampēru un padarot kulonu reproducējamu no fundamentālām konstantēm.

• Jauna definīcija: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C precīzi (nulle nenoteiktība pēc definīcijas)
• Elementārlādiņš tagad ir definēta konstante, nevis izmērīta vērtība
• 1 kulons = 6.241509074 × 10¹⁸ elementārlādiņu (precīzi)
• Viena elektrona tunelēšanas ierīces var skaitīt elektronus pa vienam precīziem lādiņa standartiem
• Kvantu metroloģijas trīsstūris: spriegums (Džozefsons), pretestība (kvantu Halls), strāva (elektronu sūknis)
• Rezultāts: Jebkura laboratorija ar kvantu aprīkojumu var realizēt kulonu neatkarīgi

2019. gada pārdefinēšana atspoguļo vairāk nekā 135 gadu progresu no elektroķīmiskiem standartiem līdz kvantu precizitātei, nodrošinot nākamās paaudzes elektroniku un enerģijas uzglabāšanu.

• Bateriju tehnoloģija: Precīzāki ietilpības mērījumi elektriskajiem transportlīdzekļiem, tīkla uzglabāšanai
• Kvantu skaitļošana: Precīza lādiņa kontrole kubitos un viena elektrona tranzistoros
• Metroloģija: Nacionālās laboratorijas var neatkarīgi realizēt kulonu bez atsauces artefaktiem
• Ķīmija: Faradeja konstante tagad ir precīza, uzlabo elektroķīmijas aprēķinus
• Patēriņa elektronika: Labāki standarti bateriju ietilpības vērtējumiem un ātrās uzlādes protokoliem

• mAh uz C saīsne: Reiziniet ar 3.6 → 1000 mAh = 3600 C precīzi
• Ah uz C: Reiziniet ar 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 ampērs 1 stundu)
• Ātri mAh uz Wh (3.7V): Daliet ar ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh uz mAh (3.7V): Reiziniet ar ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Elementārlādiņš: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (noapaļots no 1.602)
• Faradeja konstante: F ≈ 96,500 C/mol (noapaļots no 96,485)

Bateriju vērtējumu izpratne novērš neskaidrības starp lādiņu (mAh), spriegumu (V) un enerģiju (Wh). Šie noteikumi ietaupa laiku un naudu.

• mAh mēra LĀDIŅU, nevis jaudu vai enerģiju — tas ir, cik daudz elektronu jūs varat pārvietot
• Lai iegūtu enerģiju: Wh = mAh × V ÷ 1000 (spriegums ir kritisks!)
• Tāds pats mAh pie dažādiem spriegumiem = dažāda enerģija (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Ārējās baterijas (Power banks): Sagaidiet 70-80% izmantojamās ietilpības (sprieguma pārveidošanas zudumi)
• Darbības laiks = Ietilpība ÷ Strāva: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 stundas (ideāli, pievienojiet 20% rezervi)
• Tipisks Li-ion: 3.7V nominālais, 4.2V pilns, 3.0V tukšs (izmantojamais diapazons ~80%)

• Lādiņš no strāvas: Q = I × t (kuloni = ampēri × sekundes)
• Darbības laiks: t = Q / I (stundas = ampērstundas / ampēri)
• Enerģija no lādiņa: E = Q × V (vatstundas = ampērstundas × volti)
• Pielāgots efektivitātei: Izmantojams = Nominālais × 0.8 (ņemiet vērā zudumus)
• Elektrolīze: Q = n × F (kuloni = elektronu moli × Faradeja konstante)
• Kondensatora enerģija: E = ½CV² (džouli = ½ faradi × volti²)

• Jaukt mAh ar mWh — lādiņš pret enerģiju (lai konvertētu, nepieciešams spriegums!)
• Ignorēt spriegumu, salīdzinot baterijas — izmantojiet Wh enerģijas salīdzināšanai
• Sagaidīt 100% ārējās baterijas efektivitāti — 20-30% tiek zaudēti siltumā un sprieguma pārveidošanā
• Jaukt C (kulonus) ar C (izlādes ātrumu) — pilnīgi dažādas nozīmes!
• Pieņemt, ka mAh = darbības laiks — jāzina strāvas patēriņš (darbības laiks = mAh ÷ mA)
• Dziļi izlādēt Li-ion zem 20% — saīsina kalpošanas laiku, nominālā ietilpība ≠ izmantojamā ietilpība

Kulons (C) ir SI pamatvienība lādiņam. Definēts no ampēra un sekundes: 1 C = 1 A·s. Prefiksi no piko līdz kilo aptver visus praktiskos diapazonus.

• 1 C = 1 A·s (precīza definīcija)
• mC, µC, nC maziem lādiņiem
• pC, fC, aC kvantu/precīzijas darbam
• kC lielām industriālām sistēmām

Ampērstunda (Ah) un miliampērstunda (mAh) ir standarts baterijām. Praktiskas, jo tās tieši saistītas ar strāvas patēriņu un darbības laiku. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — viedtālruņi, planšetdatori, austiņas
• Ah — klēpjdatori, elektroinstrumenti, automašīnu akumulatori
• kAh — elektriskie transportlīdzekļi, industriālie UPS
• Wh — enerģijas ietilpība (atkarīga no sprieguma)

Elementārlādiņš (e) ir fundamentāla vienība fizikā. Faradeja konstante ķīmijā. CGS vienības (statkulons, abkulons) vecās mācību grāmatās.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (elementārlādiņš)
• F = 96,485 C (Faradeja konstante)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Viss lādiņš ir kvantēts elementārlādiņa e daudzkārtņos. Jums nevar būt 1.5 elektroni. Kvarkiem ir daļējs lādiņš (⅓e, ⅔e), bet tie nekad neeksistē vieni paši.

• Mazākais brīvais lādiņš: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Elektrons: -1e, Protons: +1e
• Visiem objektiem ir N×e lādiņš (vesels skaitlis N)
• Millikana eļļas piliena eksperiments pierādīja kvantēšanu (1909)

1 mols elektronu nes 96,485 C lādiņa. To sauc par Faradeja konstanti (F). Fundamentāla elektroķīmijai un bateriju ķīmijai.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mols e⁻ = 6.022×10²³ elektronu
• Izmanto elektrolīzes aprēķinos
• Saista lādiņu ar ķīmiskām reakcijām

Spēks starp lādiņiem: F = k(q₁q₂/r²). Vienādi lādiņi atgrūžas, pretēji pievelkas. Dabas fundamentālais spēks. Izskaidro visu ķīmiju un elektroniku.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (lādiņu reizinājums)
• F ∝ 1/r² (apgriezto kvadrātu likums)
• Izskaidro atomu struktūru, saites

Katram ar bateriju darbināmam ierīcei ir ietilpības vērtējums. Viedtālruņi: 2500-5000 mAh. Klēpjdatori: 40-100 Wh. Ārējās baterijas: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (aviokompānijas ierobežojums)
• AirPods: ~500 mAh (kopā)
• Ārējā baterija: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

EV baterijas tiek vērtētas kWh (enerģija), bet ietilpība ir kAh pie paketes sprieguma. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Milzīgs salīdzinājumā ar telefoniem!

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

Galvanizācija, elektrolīze, kondensatoru bankas, UPS sistēmas visas ietver lielas lādiņa pārneses. Industriālais UPS: 100+ kAh ietilpība. Superkondensatori: faradi (C/V).

• Galvanizācija: 10-1000 Ah procesi
• Industriālais UPS: 100+ kAh rezerve
• Superkondensators: 3000 F = 3000 C/V
• Zibens spēriens: ~15 C tipisks

Reiziniet mAh ar 3.6, lai iegūtu kulonus. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (precīzi)
• 1 Ah = 3600 C
• Ātri: mAh × 3.6 → C
• Piemērs: 3000 mAh = 10,800 C

Daliet mAh ar ~270, lai iegūtu Wh pie 3.7V Li-ion sprieguma.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Pie 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Spriegums ir svarīgs enerģijai!

Darbības laiks (h) = Baterija (mAh) ÷ Strāva (mA). 3000 mAh pie 300 mA = 10 stundas.

• Darbības laiks = Ietilpība ÷ Strāva
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Lielāka strāva = īsāks darbības laiks
• Efektivitātes zudumi: sagaidiet 80-90%

3500 mAh baterija. Lietotne izmanto 350 mA. Cik ilgi, līdz tā izlādējas?

Darbības laiks = Ietilpība ÷ Strāva = 3500 ÷ 350 = 10 stundas (ideāli). Reāli: ~8-9 st. (efektivitātes zudumi).

20,000 mAh ārējā baterija. Uzlādēt 3,000 mAh telefonu. Cik pilnas uzlādes?

Ņemiet vērā efektivitāti (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 efektīvi. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 uzlādes.

Nogulsnēt 1 molu vara (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Cik kulonu?

2 moli e⁻ uz vienu molu Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

Jūsu ķermenī ir ~10²⁸ protonu un tikpat daudz elektronu. Ja jūs zaudētu 0.01% elektronu, jūs sajustu 10⁹ ņūtonu atgrūšanos—pietiekami, lai sagrautu ēkas!

Zibens spēriens: tikai ~15 C lādiņa, bet 1 miljards voltu! Enerģija = Q×V, tātad 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Tas ir 4.2 MWh—varētu apgādāt jūsu māju ar enerģiju mēnešiem!

Klasiskā zinātnes demonstrācija uzkrāj lādiņu līdz miljoniem voltu. Kopējais lādiņš? Tikai ~10 µC. Šokējoši, bet droši—zema strāva. Spriegums ≠ briesmas, strāva nogalina.

Automašīnas akumulators: 60 Ah = 216,000 C, izlādējas stundām. Superkondensators: 3000 F = 3000 C/V, izlādējas sekundēs. Enerģijas blīvums pret jaudas blīvumu.

1909: Millikans izmērīja elementārlādiņu, vērojot lādētu eļļas pilienu krišanu. Viņš atrada e = 1.592×10⁻¹⁹ C (mūsdienu: 1.602). Ieguva Nobela prēmiju 1923. gadā.

Elektrona lādiņa kvantēšana ir tik precīza, ka to izmanto pretestības standarta definēšanai. Precizitāte: 1 daļa no 10⁹. Fundamentālās konstantes definē visas vienības kopš 2019. gada.

mAh mēra lādiņu (cik daudz elektronu). Wh mēra enerģiju (lādiņš × spriegums). Tas pats mAh pie dažādiem spriegumiem = dažāda enerģija. Izmantojiet Wh, lai salīdzinātu baterijas pie dažādiem spriegumiem. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Nominālā ietilpība nav izmantojamā ietilpība. Li-ion: izlādējas no 4.2V (pilna) līdz 3.0V (tukša), bet apstāšanās pie 20% saglabā kalpošanas laiku. Pārveidošanas zudumi, siltums un novecošanās samazina efektīvo ietilpību. Sagaidiet 80-90% no nominālās.

Tas nav vienkārši ietilpību attiecība. 20,000 mAh ārējā baterija: ~70-80% efektīva (sprieguma pārveidošana, siltums). Efektīvi: 16,000 mAh. 3,000 mAh telefonam: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 uzlādes. Reālajā pasaulē: 4-5.

Elementārlādiņš (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) ir viena protona vai elektrona lādiņš. Viss lādiņš ir kvantēts e daudzkārtņos. Fundamentāls kvantu mehānikai, definē smalkās struktūras konstanti. Kopš 2019. gada e ir precīzs pēc definīcijas.

Jā! Negatīvs lādiņš nozīmē elektronu pārpalikumu, pozitīvs — trūkumu. Kopējais lādiņš ir algebrisks (var viens otru neitralizēt). Elektroni: -e. Protoni: +e. Objekti: parasti gandrīz neitrāli (vienāds + un - daudzums). Vienādi lādiņi atgrūžas, pretēji pievelkas.

Li-ion: ķīmiskās reakcijas lēnām noārda elektrodu materiālus. Katrs uzlādes cikls rada nelielas neatgriezeniskas izmaiņas. Dziļa izlāde (<20%), augsta temperatūra, ātra uzlāde paātrina novecošanos. Modernas baterijas: 500-1000 cikli līdz 80% ietilpības.