Электрический заряд — это физическое свойство, которое заставляет частицы испытывать электромагнитное взаимодействие. Бывает положительным и отрицательным. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Фундаментален для всей химии и электроники.

• 1 кулон = 6,24×10¹⁸ электронов
• Протон: +1e, Электрон: -1e
• Заряд сохраняется (никогда не создается и не уничтожается)
• Квантуется в кратных значениях e = 1,602×10⁻¹⁹ Кл

Ток (I) — это скорость потока заряда. Q = I × t. 1 ампер = 1 кулон в секунду. Емкость аккумулятора в А·ч — это заряд, а не ток. 1 А·ч = 3600 Кл.

• Ток = заряд за время (I = Q/t)
• 1 A = 1 Кл/с (определение)
• 1 А·ч = 3600 Кл (1 ампер в течение 1 часа)
• мА·ч — это емкость заряда, а не мощность

Аккумуляторы хранят заряд. Характеризуются в А·ч или мА·ч (заряд) или Вт·ч (энергия). Вт·ч = А·ч × Напряжение. Аккумулятор телефона: 3000 мА·ч при 3,7 В ≈ 11 Вт·ч. Напряжение важно для энергии, а не для заряда.

• мА·ч = миллиампер-час (заряд)
• Вт·ч = ватт-час (энергия = заряд × напряжение)
• Больше мА·ч = дольше время работы (при том же напряжении)
• 3000 мА·ч ≈ 10 800 кулонов

Прежде чем количественно понять заряд, ученые исследовали статическое электричество и таинственный 'электрический флюид'. Изобретение батарей позволило точно измерять непрерывный поток заряда.

• 1600: Уильям Гильберт отличает электричество от магнетизма, вводит термин 'электрический'
• 1733: Шарль Дюфе открывает два типа электричества (положительное и отрицательное)
• 1745: Изобретена Лейденская банка — первый конденсатор, хранящий измеримый заряд
• 1785: Кулон публикует закон обратных квадратов F = k(q₁q₂/r²) для электрической силы
• 1800: Вольта изобретает батарею — обеспечивает непрерывный, измеримый поток заряда
• 1833: Фарадей открывает законы электролиза — связывает заряд с химией (постоянная Фарадея)

Кулон эволюционировал от практических определений, основанных на электрохимических стандартах, до современного определения, связанного с ампером и секундой.

• 1881: Первый практический кулон определен через стандарт электролитического осаждения серебра
• 1893: Всемирная выставка в Чикаго стандартизирует кулон для международного использования
• 1948: ГКМВ определяет кулон как 1 ампер-секунду (1 Кл = 1 А·с)
• 1960-2018: Ампер определялся силой между параллельными проводниками, делая кулон косвенным
• Проблема: Определение ампера, основанное на силе, было трудно реализовать с высокой точностью
• 1990-е-2010-е: Квантовая метрология (эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла) позволяет считать электроны

20 мая 2019 года элементарный заряд был зафиксирован точно, что переопределило ампер и сделало кулон воспроизводимым из фундаментальных констант.

• Новое определение: e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл точно (нулевая неопределенность по определению)
• Элементарный заряд теперь является определенной константой, а не измеряемой величиной
• 1 кулон = 6,241509074 × 10¹⁸ элементарных зарядов (точно)
• Устройства одноэлектронного туннелирования могут считать электроны по одному для точных стандартов заряда
• Квантовый метрологический треугольник: напряжение (Джозефсон), сопротивление (квантовый Холл), ток (электронный насос)
• Результат: Любая лаборатория с квантовым оборудованием может самостоятельно реализовать кулон

Переопределение 2019 года представляет собой более 135 лет прогресса от электрохимических стандартов до квантовой точности, что делает возможным создание электроники и систем хранения энергии следующего поколения.

• Технология аккумуляторов: Более точные измерения емкости для электромобилей, систем хранения энергии в сети
• Квантовые вычисления: Точный контроль заряда в кубитах и одноэлектронных транзисторах
• Метрология: Национальные лаборатории могут самостоятельно реализовывать кулон без эталонных артефактов
• Химия: Постоянная Фарадея теперь точна, что улучшает электрохимические расчеты
• Бытовая электроника: Лучшие стандарты для характеристик емкости аккумуляторов и протоколов быстрой зарядки

• Сокращение мА·ч в Кл: Умножьте на 3,6 → 1000 мА·ч = 3600 Кл точно
• А·ч в Кл: Умножьте на 3600 → 1 А·ч = 3600 Кл (1 ампер в течение 1 часа)
• Быстро мА·ч в Вт·ч (3,7 В): Разделите на ~270 → 3000 мА·ч ≈ 11 Вт·ч
• Вт·ч в мА·ч (3,7 В): Умножьте на ~270 → 11 Вт·ч ≈ 2970 мА·ч
• Элементарный заряд: e ≈ 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл (округлено с 1,602)
• Постоянная Фарадея: F ≈ 96 500 Кл/моль (округлено с 96 485)

Понимание характеристик аккумуляторов предотвращает путаницу между зарядом (мА·ч), напряжением (В) и энергией (Вт·ч). Эти правила экономят время и деньги.

• мА·ч измеряет ЗАРЯД, а не мощность или энергию — это количество электронов, которое вы можете переместить
• Чтобы получить энергию: Вт·ч = мА·ч × В ÷ 1000 (напряжение критически важно!)
• Одинаковое значение мА·ч при разном напряжении = разная энергия (12В 1000мА·ч ≠ 3,7В 1000мА·ч)
• Внешние аккумуляторы: Ожидайте 70-80% полезной емкости (потери при преобразовании напряжения)
• Время работы = Емкость ÷ Ток: 3000 мА·ч ÷ 300 мА = 10 часов (в идеале, добавьте 20% запаса)
• Типичный Li-ion: 3,7В номинальное, 4,2В полное, 3,0В пустое (полезный диапазон ~80%)

• Заряд из тока: Q = I × t (кулоны = амперы × секунды)
• Время работы: t = Q / I (часы = ампер-часы / амперы)
• Энергия из заряда: E = Q × V (ватт-часы = ампер-часы × вольты)
• С поправкой на КПД: Полезная = Номинальная × 0,8 (учитывайте потери)
• Электролиз: Q = n × F (кулоны = моли электронов × постоянная Фарадея)
• Энергия конденсатора: E = ½CV² (джоули = ½ фарада × вольты²)

• Путаница мА·ч с мВт·ч — заряд против энергии (для конвертации нужно напряжение!)
• Игнорирование напряжения при сравнении аккумуляторов — используйте Вт·ч для сравнения энергии
• Ожидание 100% эффективности внешнего аккумулятора — 20-30% теряется на нагрев и преобразование напряжения
• Смешивание Кл (кулоны) с C (скорость разряда) — совершенно разные значения!
• Предположение, что мА·ч = время работы — нужно знать потребляемый ток (время работы = мА·ч ÷ мА)
• Глубокий разряд Li-ion ниже 20% — сокращает срок службы, номинальная емкость ≠ полезная емкость

Кулон (Кл) — основная единица заряда в СИ. Определяется через ампер и секунду: 1 Кл = 1 А·с. Приставки от пико- до кило- охватывают все практические диапазоны.

• 1 Кл = 1 А·с (точное определение)
• мКл, мкКл, нКл для малых зарядов
• пКл, фКл, аКл для квантовых/прецизионных работ
• кКл для крупных промышленных систем

Ампер-час (А·ч) и миллиампер-час (мА·ч) являются стандартом для аккумуляторов. Они практичны, так как напрямую связаны с потреблением тока и временем работы. 1 А·ч = 3600 Кл.

• мА·ч — смартфоны, планшеты, наушники
• А·ч — ноутбуки, электроинструменты, автомобильные аккумуляторы
• кА·ч — электромобили, промышленные ИБП
• Вт·ч — энергетическая емкость (зависит от напряжения)

Элементарный заряд (e) — фундаментальная единица в физике. Постоянная Фарадея в химии. Единицы СГС (статкулон, абкулон) в старых учебниках.

• e = 1,602×10⁻¹⁹ Кл (элементарный заряд)
• F = 96 485 Кл (постоянная Фарадея)
• 1 статКл ≈ 3,34×10⁻¹⁰ Кл (СГСЭ)
• 1 абКл = 10 Кл (СГСМ)

Весь заряд квантован в кратных значениях элементарного заряда e. Нельзя иметь 1,5 электрона. Кварки имеют дробный заряд (⅓e, ⅔e), но никогда не существуют поодиночке.

• Наименьший свободный заряд: 1e = 1,602×10⁻¹⁹ Кл
• Электрон: -1e, Протон: +1e
• Все объекты имеют заряд N×e (N — целое число)
• Опыт Милликена с каплей масла доказал квантование (1909)

1 моль электронов несет заряд 96 485 Кл. Называется постоянной Фарадея (F). Фундаментальна для электрохимии и химии аккумуляторов.

• F = 96 485,33212 Кл/моль (CODATA 2018)
• 1 моль e⁻ = 6,022×10²³ электронов
• Используется в расчетах электролиза
• Связывает заряд с химическими реакциями

Сила между зарядами: F = k(q₁q₂/r²). Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Фундаментальная сила природы. Объясняет всю химию и электронику.

• k = 8,99×10⁹ Н·м²/Кл²
• F ∝ q₁q₂ (произведение зарядов)
• F ∝ 1/r² (закон обратных квадратов)
• Объясняет атомную структуру, химические связи

Каждое устройство с батарейным питанием имеет характеристику емкости. Смартфоны: 2500-5000 мА·ч. Ноутбуки: 40-100 Вт·ч. Внешние аккумуляторы: 10 000-30 000 мА·ч.

• iPhone 15: ~3349 мА·ч при 3,85 В ≈ 13 Вт·ч
• MacBook Pro: ~100 Вт·ч (ограничение для авиакомпаний)
• AirPods: ~500 мА·ч (в сумме)
• Внешний аккумулятор: 20 000 мА·ч при 3,7 В ≈ 74 Вт·ч

Аккумуляторы электромобилей характеризуются в кВт·ч (энергия), но емкость выражается в кА·ч при напряжении батареи. Tesla Model 3: 75 кВт·ч при 350 В = 214 А·ч. Огромная величина по сравнению с телефонами!

• Tesla Model 3: 75 кВт·ч (214 А·ч при 350 В)
• Nissan Leaf: 40 кВт·ч (114 А·ч при 350 В)
• Зарядка электромобилей: 50-350 кВт быстрая зарядка постоянным током
• Домашняя зарядка: ~7 кВт (32А при 220 В)

Гальваностегия, электролиз, конденсаторные батареи, системы ИБП — все это связано с большими переносами заряда. Промышленные ИБП: емкость 100+ кА·ч. Суперконденсаторы: фарады (Кл/В).

• Гальваностегия: процессы на 10-1000 А·ч
• Промышленный ИБП: резерв 100+ кА·ч
• Суперконденсатор: 3000 Ф = 3000 Кл/В
• Удар молнии: ~15 Кл типично

Умножьте мА·ч на 3,6, чтобы получить кулоны. 1000 мА·ч = 3600 Кл.

• 1 мА·ч = 3,6 Кл (точно)
• 1 А·ч = 3600 Кл
• Быстро: мА·ч × 3,6 → Кл
• Пример: 3000 мА·ч = 10 800 Кл

Разделите мА·ч на ~270, чтобы получить Вт·ч при напряжении Li-ion 3,7 В.

• Вт·ч = мА·ч × В ÷ 1000
• При 3,7 В: Вт·ч ≈ мА·ч ÷ 270
• 3000 мА·ч при 3,7 В = 11,1 Вт·ч
• Напряжение важно для энергии!

Время работы (ч) = Аккумулятор (мА·ч) ÷ Ток (мА). 3000 мА·ч при 300 мА = 10 часов.

• Время работы = Емкость ÷ Ток
• 3000 мА·ч ÷ 300 мА = 10 ч
• Выше ток = короче время работы
• Потери эффективности: ожидайте 80-90%

Аккумулятор на 3500 мА·ч. Приложение потребляет 350 мА. Через сколько он разрядится?

Время работы = Емкость ÷ Ток = 3500 ÷ 350 = 10 часов (в идеале). Реально: ~8-9 ч (потери эффективности).

Внешний аккумулятор на 20 000 мА·ч. Зарядка телефона на 3 000 мА·ч. Сколько полных зарядок?

Учитывайте эффективность (~80%): 20 000 × 0,8 = 16 000 эффективных. 16 000 ÷ 3 000 = 5,3 зарядки.

Осадить 1 моль меди (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Сколько кулонов?

2 моля e⁻ на моль Cu. 2 × F = 2 × 96 485 = 192 970 Кл ≈ 53,6 А·ч.

В вашем теле ~10²⁸ протонов и столько же электронов. Если бы вы потеряли 0,01% электронов, вы бы почувствовали силу отталкивания в 10⁹ ньютонов—достаточно, чтобы разрушить здания!

Удар молнии: всего ~15 Кл заряда, но 1 миллиард вольт! Энергия = Q×V, так что 15 Кл × 10⁹ В = 15 ГДж. Это 4,2 МВт·ч—могло бы питать ваш дом месяцами!

Классическая научная демонстрация создает заряд до миллионов вольт. Общий заряд? Всего ~10 мкКл. Шокирующе, но безопасно—низкий ток. Напряжение ≠ опасность, убивает ток.

Автомобильный аккумулятор: 60 А·ч = 216 000 Кл, разряжается часами. Суперконденсатор: 3000 Ф = 3000 Кл/В, разряжается за секунды. Плотность энергии против плотности мощности.

1909: Милликен измерил элементарный заряд, наблюдая за падением заряженных капель масла. Он нашел e = 1,592×10⁻¹⁹ Кл (современное: 1,602). Получил Нобелевскую премию в 1923 году.

Квантование заряда электрона настолько точно, что используется для определения эталона сопротивления. Точность: 1 часть на 10⁹. Фундаментальные константы определяют все единицы с 2019 года.

мА·ч измеряет заряд (количество электронов). Вт·ч измеряет энергию (заряд × напряжение). Одинаковое значение мА·ч при разном напряжении = разная энергия. Используйте Вт·ч для сравнения аккумуляторов с разным напряжением. Вт·ч = мА·ч × В ÷ 1000.

Заявленная емкость — номинальная, а не полезная. Li-ion: разряжается с 4,2 В (полный) до 3,0 В (пустой), но остановка на 20% сохраняет срок службы. Потери при преобразовании, нагрев и старение уменьшают эффективную емкость. Ожидайте 80-90% от заявленной.

Это не простое соотношение емкостей. Внешний аккумулятор на 20 000 мА·ч: эффективность ~70-80% (преобразование напряжения, нагрев). Эффективная емкость: 16 000 мА·ч. Для телефона на 3 000 мА·ч: 16 000 ÷ 3 000 ≈ 5 зарядок. В реальной жизни: 4-5.

Элементарный заряд (e = 1,602×10⁻¹⁹ Кл) — это заряд одного протона или электрона. Весь заряд квантован в кратных значениях e. Фундаментален для квантовой механики, определяет постоянную тонкой структуры. С 2019 года e является точным по определению.

Да! Отрицательный заряд означает избыток электронов, положительный — недостаток. Общий заряд является алгебраической величиной (может компенсироваться). Электроны: -e. Протоны: +e. Объекты: обычно почти нейтральны (равное количество + и -). Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.

Li-ion: химические реакции медленно разрушают материалы электродов. Каждый цикл зарядки вызывает небольшие необратимые изменения. Глубокий разряд (<20%), высокая температура, быстрая зарядка ускоряют старение. Современные аккумуляторы: 500-1000 циклов до 80% емкости.