Cas elektrik ialah sifat fizikal yang menyebabkan zarah mengalami daya elektromagnet. Terdapat dalam bentuk positif dan negatif. Cas yang sama menolak, cas yang berlawanan menarik. Asas kepada semua kimia dan elektronik.

• 1 coulomb = 6.24×10¹⁸ elektron
• Proton: +1e, Elektron: -1e
• Cas dikekalkan (tidak pernah dicipta/dimusnahkan)
• Dikuantumkan dalam gandaan e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Arus (I) ialah kadar aliran cas. Q = I × t. 1 ampere = 1 coulomb sesaat. Kapasiti bateri dalam Ah ialah cas, bukan arus. 1 Ah = 3600 C.

• Arus = cas per masa (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (definisi)
• 1 Ah = 3600 C (1 ampere selama 1 jam)
• mAh ialah kapasiti cas, bukan kuasa

Bateri menyimpan cas. Dinilai dalam Ah atau mAh (cas) atau Wh (tenaga). Wh = Ah × Voltan. Bateri telefon: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Voltan penting untuk tenaga, bukan cas.

• mAh = miliampere-jam (cas)
• Wh = watt-jam (tenaga = cas × voltan)
• mAh lebih tinggi = masa jalan lebih lama (voltan sama)
• 3000 mAh ≈ 10,800 coulomb

Sebelum memahami cas secara kuantitatif, para saintis meneroka elektrik statik dan 'bendalir elektrik' yang misteri. Penciptaan bateri membolehkan pengukuran aliran cas yang berterusan dengan tepat.

• 1600: William Gilbert membezakan elektrik daripada kemagnetan, mencipta istilah 'elektrik'
• 1733: Charles du Fay menemui dua jenis elektrik (positif dan negatif)
• 1745: Balang Leyden dicipta — kapasitor pertama, menyimpan cas yang boleh diukur
• 1785: Coulomb menerbitkan hukum kuasa dua songsang F = k(q₁q₂/r²) untuk daya elektrik
• 1800: Volta mencipta bateri — membolehkan aliran cas yang berterusan dan boleh diukur
• 1833: Faraday menemui hukum elektrolisis — mengaitkan cas dengan kimia (pemalar Faraday)

Coulomb berkembang dari definisi praktikal berdasarkan piawaian elektrokimia kepada definisi moden yang terikat dengan ampere dan saat.

• 1881: Coulomb praktikal pertama ditakrifkan melalui piawaian penyaduran perak
• 1893: Pameran Dunia Chicago menstandardkan coulomb untuk kegunaan antarabangsa
• 1948: CGPM mentakrifkan coulomb sebagai 1 ampere-saat (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Ampere ditakrifkan oleh daya antara konduktor selari, menjadikan coulomb tidak langsung
• Masalah: Definisi ampere berasaskan daya sukar direalisasikan dengan ketepatan tinggi
• 1990-an-2010-an: Metrologi kuantum (kesan Josephson, kesan Hall kuantum) membolehkan pengiraan elektron

Pada 20 Mei 2019, cas asas ditetapkan dengan tepat, mentakrifkan semula ampere dan menjadikan coulomb boleh dihasilkan semula daripada pemalar asas.

• Definisi baharu: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C dengan tepat (ketidakpastian sifar mengikut definisi)
• Cas asas kini adalah pemalar yang ditakrifkan, bukan nilai yang diukur
• 1 coulomb = 6.241509074 × 10¹⁸ cas asas (tepat)
• Peranti penerowongan elektron tunggal boleh mengira elektron satu demi satu untuk piawaian cas yang tepat
• Segitiga metrologi kuantum: voltan (Josephson), rintangan (Hall kuantum), arus (pam elektron)
• Hasil: Mana-mana makmal dengan peralatan kuantum boleh merealisasikan coulomb secara bebas

Definisi semula 2019 mewakili kemajuan lebih 135 tahun daripada piawaian elektrokimia kepada ketepatan kuantum, membolehkan elektronik dan storan tenaga generasi akan datang.

• Teknologi bateri: Pengukuran kapasiti yang lebih tepat untuk kenderaan elektrik, storan grid
• Pengkomputeran kuantum: Kawalan cas yang tepat dalam qubit dan transistor elektron tunggal
• Metrologi: Makmal kebangsaan boleh merealisasikan coulomb secara bebas tanpa artifak rujukan
• Kimia: Pemalar Faraday kini tepat, meningkatkan pengiraan elektrokimia
• Elektronik pengguna: Piawaian yang lebih baik untuk penarafan kapasiti bateri dan protokol pengecasan pantas

• Pintasan mAh ke C: Darab dengan 3.6 → 1000 mAh = 3600 C dengan tepat
• Ah ke C: Darab dengan 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 ampere selama 1 jam)
• Cepat mAh ke Wh (3.7V): Bahagi dengan ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh ke mAh (3.7V): Darab dengan ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Cas asas: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (dibulatkan daripada 1.602)
• Pemalar Faraday: F ≈ 96,500 C/mol (dibulatkan daripada 96,485)

Memahami penarafan bateri mengelakkan kekeliruan antara cas (mAh), voltan (V), dan tenaga (Wh). Peraturan ini menjimatkan masa dan wang.

• mAh mengukur CAS, bukan kuasa atau tenaga — ia adalah berapa banyak elektron yang boleh anda gerakkan
• Untuk mendapatkan tenaga: Wh = mAh × V ÷ 1000 (voltan adalah kritikal!)
• mAh yang sama pada voltan yang berbeza = tenaga yang berbeza (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Bank kuasa: Jangkakan 70-80% kapasiti yang boleh digunakan (kehilangan penukaran voltan)
• Masa jalan = Kapasiti ÷ Arus: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 jam (ideal, tambah margin 20%)
• Li-ion biasa: 3.7V nominal, 4.2V penuh, 3.0V kosong (julat boleh guna ~80%)

• Cas dari arus: Q = I × t (coulomb = ampere × saat)
• Masa jalan: t = Q / I (jam = jam-ampere / ampere)
• Tenaga dari cas: E = Q × V (jam-watt = jam-ampere × volt)
• Dilaraskan kecekapan: Boleh digunakan = Dinilai × 0.8 (ambil kira kehilangan)
• Elektrolisis: Q = n × F (coulomb = mol elektron × pemalar Faraday)
• Tenaga kapasitor: E = ½CV² (joule = ½ farad × volt²)

• Mengelirukan mAh dengan mWh — cas lwn tenaga (perlu voltan untuk menukar!)
• Mengabaikan voltan apabila membandingkan bateri — gunakan Wh untuk perbandingan tenaga
• Menjangkakan kecekapan bank kuasa 100% — 20-30% hilang kepada haba dan penukaran voltan
• Mencampurkan C (coulomb) dengan C (kadar nyahcas) — makna yang sama sekali berbeza!
• Mengandaikan mAh = masa jalan — perlu tahu tarikan arus (masa jalan = mAh ÷ mA)
• Menyahcas dalam Li-ion di bawah 20% — memendekkan jangka hayat, kapasiti dinilai ≠ kapasiti boleh guna

Coulomb (C) ialah unit asas SI untuk cas. Ditakrifkan daripada ampere dan saat: 1 C = 1 A·s. Awalan dari piko hingga kilo merangkumi semua julat praktikal.

• 1 C = 1 A·s (definisi tepat)
• mC, µC, nC untuk cas kecil
• pC, fC, aC untuk kerja kuantum/ketepatan
• kC untuk sistem industri besar

Ampere-jam (Ah) dan miliampere-jam (mAh) adalah standard untuk bateri. Praktikal kerana ia berkaitan secara langsung dengan tarikan arus dan masa jalan. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — telefon pintar, tablet, fon telinga
• Ah — komputer riba, alat kuasa, bateri kereta
• kAh — kenderaan elektrik, UPS industri
• Wh — kapasiti tenaga (bergantung pada voltan)

Cas asas (e) ialah unit asas dalam fizik. Pemalar Faraday dalam kimia. Unit CGS (statcoulomb, abcoulomb) dalam buku teks lama.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (cas asas)
• F = 96,485 C (pemalar Faraday)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Semua cas dikuantumkan dalam gandaan cas asas e. Anda tidak boleh mempunyai 1.5 elektron. Kuark mempunyai cas pecahan (⅓e, ⅔e) tetapi tidak pernah wujud bersendirian.

• Cas bebas terkecil: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Elektron: -1e, Proton: +1e
• Semua objek mempunyai cas N×e (N integer)
• Eksperimen titisan minyak Millikan membuktikan pengkuantuman (1909)

1 mol elektron membawa 96,485 C cas. Dipanggil pemalar Faraday (F). Asas kepada elektrokimia dan kimia bateri.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mol e⁻ = 6.022×10²³ elektron
• Digunakan dalam pengiraan elektrolisis
• Mengaitkan cas dengan tindak balas kimia

Daya antara cas: F = k(q₁q₂/r²). Cas yang sama menolak, cas yang berlawanan menarik. Daya asas alam semula jadi. Menjelaskan semua kimia dan elektronik.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (hasil darab cas)
• F ∝ 1/r² (hukum kuasa dua songsang)
• Menjelaskan struktur atom, ikatan

Setiap peranti berkuasa bateri mempunyai penarafan kapasiti. Telefon pintar: 2500-5000 mAh. Komputer riba: 40-100 Wh. Bank kuasa: 10,000-30,000 mAh.

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

Bateri EV dinilai dalam kWh (tenaga), tetapi kapasiti adalah kAh pada voltan pek. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Sangat besar berbanding telefon!

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

Penyaduran elektrik, elektrolisis, bank kapasitor, sistem UPS semuanya melibatkan pemindahan cas yang besar. UPS industri: kapasiti 100+ kAh. Superkapasitor: farad (C/V).

• Penyaduran elektrik: proses 10-1000 Ah
• UPS industri: sandaran 100+ kAh
• Superkapasitor: 3000 F = 3000 C/V
• Panahan petir: ~15 C biasa

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

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

Bahagi mAh dengan ~270 untuk Wh pada voltan Li-ion 3.7V.

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

Masa jalan (j) = Bateri (mAh) ÷ Arus (mA). 3000 mAh pada 300 mA = 10 jam.

• Masa jalan = Kapasiti ÷ Arus
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 j
• Arus lebih tinggi = masa jalan lebih pendek
• Kehilangan kecekapan: jangkakan 80-90%

Bateri 3500 mAh. Aplikasi menggunakan 350 mA. Berapa lama sehingga mati?

Masa jalan = Kapasiti ÷ Arus = 3500 ÷ 350 = 10 jam (ideal). Sebenar: ~8-9j (kehilangan kecekapan).

Bank kuasa 20,000 mAh. Cas telefon 3,000 mAh. Berapa banyak caj penuh?

Ambil kira kecekapan (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 efektif. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 caj.

Enapkan 1 mol kuprum (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Berapa banyak coulomb?

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

Badan anda mempunyai ~10²⁸ proton dan bilangan elektron yang sama. Jika anda kehilangan 0.01% elektron, anda akan merasakan daya tolakan 10⁹ newton—cukup untuk meruntuhkan bangunan!

Panahan petir: hanya ~15 C cas, tetapi 1 bilion volt! Tenaga = Q×V, jadi 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Itu 4.2 MWh—boleh memberi kuasa kepada rumah anda selama berbulan-bulan!

Demo sains klasik membina cas hingga jutaan volt. Jumlah cas? Hanya ~10 µC. Mengejutkan tetapi selamat—arus rendah. Voltan ≠ bahaya, arus membunuh.

Bateri kereta: 60 Ah = 216,000 C, dilepaskan selama berjam-jam. Superkapasitor: 3000 F = 3000 C/V, dilepaskan dalam beberapa saat. Ketumpatan tenaga lwn. ketumpatan kuasa.

1909: Millikan mengukur cas asas dengan memerhatikan titisan minyak bercas jatuh. Mendapati e = 1.592×10⁻¹⁹ C (moden: 1.602). Memenangi Hadiah Nobel 1923.

Pengkuantuman cas elektron begitu tepat, ia digunakan untuk mentakrifkan standard rintangan. Ketepatan: 1 bahagian dalam 10⁹. Pemalar asas mentakrifkan semua unit sejak 2019.

mAh mengukur cas (berapa banyak elektron). Wh mengukur tenaga (cas × voltan). mAh yang sama pada voltan yang berbeza = tenaga yang berbeza. Gunakan Wh untuk membandingkan bateri merentasi voltan. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Kapasiti dinilai adalah nominal, bukan boleh guna. Li-ion: nyahcas dari 4.2V (penuh) ke 3.0V (kosong), tetapi berhenti pada 20% memelihara jangka hayat. Kehilangan penukaran, haba, dan penuaan mengurangkan kapasiti efektif. Jangkakan 80-90% daripada yang dinilai.

Bukan sekadar nisbah kapasiti. Bank kuasa 20,000 mAh: ~70-80% cekap (penukaran voltan, haba). Efektif: 16,000 mAh. Untuk telefon 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 caj. Dunia nyata: 4-5.

Cas asas (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) ialah cas satu proton atau elektron. Semua cas dikuantumkan dalam gandaan e. Asas kepada mekanik kuantum, mentakrifkan pemalar struktur halus. Sejak 2019, e adalah tepat mengikut definisi.

Ya! Cas negatif bermakna lebihan elektron, positif bermakna kekurangan. Jumlah cas adalah algebra (boleh membatalkan). Elektron: -e. Proton: +e. Objek: biasanya hampir neutral (sama + dan -). Cas yang sama menolak, cas yang berlawanan menarik.

Li-ion: tindak balas kimia perlahan-lahan merosot bahan elektrod. Setiap kitaran cas menyebabkan perubahan kecil yang tidak dapat dipulihkan. Nyahcas dalam (<20%), suhu tinggi, pengecasan pantas mempercepatkan penuaan. Bateri moden: 500-1000 kitaran hingga 80% kapasiti.