Električni naboj je fizikalna lastnost, ki povzroča, da delci doživljajo elektromagnetno silo. Obstaja v pozitivni in negativni obliki. Enaki naboji se odbijajo, nasprotni se privlačijo. Osnovno za vso kemijo in elektroniko.

• 1 coulomb = 6,24×10¹⁸ elektronov
• Proton: +1e, Elektron: -1e
• Naboj se ohranja (nikoli se ne ustvari/uniči)
• Kvantiziran v večkratnikih e = 1,602×10⁻¹⁹ C

Tok (I) je hitrost pretoka naboja. Q = I × t. 1 amper = 1 coulomb na sekundo. Kapaciteta baterije v Ah je naboj, ne tok. 1 Ah = 3600 C.

• Tok = naboj na čas (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (definicija)
• 1 Ah = 3600 C (1 amper za 1 uro)
• mAh je kapaciteta naboja, ne moč

Baterije shranjujejo naboj. Ocenjene so v Ah ali mAh (naboj) ali Wh (energija). Wh = Ah × Napetost. Baterija telefona: 3000 mAh @ 3,7V ≈ 11 Wh. Napetost je pomembna za energijo, ne za naboj.

• mAh = miliamperska ura (naboj)
• Wh = vatna ura (energija = naboj × napetost)
• Višji mAh = daljši čas delovanja (enaka napetost)
• 3000 mAh ≈ 10.800 coulombov

Preden so naboj razumeli količinsko, so znanstveniki raziskovali statično elektriko in skrivnostno 'električno tekočino'. Izum baterij je omogočil natančno merjenje neprekinjenega toka naboja.

• 1600: William Gilbert loči elektriko od magnetizma, skuje izraz 'električen'
• 1733: Charles du Fay odkrije dve vrsti elektrike (pozitivno in negativno)
• 1745: Izumljena Leydenska steklenica — prvi kondenzator, shranjuje merljiv naboj
• 1785: Coulomb objavi zakon obratnega kvadrata F = k(q₁q₂/r²) za električno silo
• 1800: Volta izumi baterijo — omogoči neprekinjen, merljiv tok naboja
• 1833: Faraday odkrije zakone elektrolize — poveže naboj s kemijo (Faradayeva konstanta)

Coulomb se je razvil iz praktičnih definicij, ki so temeljile na elektrokemičnih standardih, v sodobno definicijo, povezano z amperom in sekundo.

• 1881: Prvi praktični coulomb definiran preko standarda za srebrno galvanizacijo
• 1893: Svetovna razstava v Chicagu standardizira coulomb za mednarodno uporabo
• 1948: CGPM definira coulomb kot 1 amper-sekundo (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Amper definiran s silo med vzporednimi vodniki, zaradi česar je coulomb posreden
• Problem: Definicija ampera, ki temelji na sili, je bila težko uresničljiva z visoko natančnostjo
• 1990-2010: Kvantna metrologija (Josephsonov pojav, kvantni Hallov pojav) omogoča štetje elektronov

20. maja 2019 je bil elementarni naboj natančno fiksiran, kar je na novo definiralo amper in naredilo coulomb ponovljiv iz osnovnih konstant.

• Nova definicija: e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ C natančno (ničelna negotovost po definiciji)
• Elementarni naboj je zdaj definirana konstanta, ne izmerjena vrednost
• 1 coulomb = 6,241509074 × 10¹⁸ elementarnih nabojev (natančno)
• Naprave za tuneliranje posameznih elektronov lahko štejejo elektrone enega za drugim za natančne standarde naboja
• Kvantni metrologijski trikotnik: napetost (Josephson), upor (kvantni Hall), tok (elektronska črpalka)
• Rezultat: Vsak laboratorij s kvantno opremo lahko samostojno uresniči coulomb

Redefinicija iz leta 2019 predstavlja 135+ let napredka od elektrokemičnih standardov do kvantne natančnosti, kar omogoča naslednjo generacijo elektronike in shranjevanja energije.

• Baterijska tehnologija: Natančnejše meritve kapacitete za električna vozila, shranjevanje v omrežju
• Kvantno računalništvo: Natančen nadzor naboja v kubitih in tranzistorjih z enim elektronom
• Metrologija: Nacionalni laboratoriji lahko samostojno uresničijo coulomb brez referenčnih artefaktov
• Kemija: Faradayeva konstanta je zdaj natančna, izboljšuje elektrokemične izračune
• Potrošniška elektronika: Boljši standardi za ocene kapacitete baterij in protokole hitrega polnjenja

• Bližnjica mAh v C: Pomnožite s 3,6 → 1000 mAh = 3600 C natančno
• Ah v C: Pomnožite s 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 amper za 1 uro)
• Hitro mAh v Wh (3,7V): Delite z ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh v mAh (3,7V): Pomnožite z ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Elementarni naboj: e ≈ 1,6 × 10⁻¹⁹ C (zaokroženo iz 1,602)
• Faradayeva konstanta: F ≈ 96.500 C/mol (zaokroženo iz 96.485)

Razumevanje ocen baterij preprečuje zmedo med nabojem (mAh), napetostjo (V) in energijo (Wh). Ta pravila prihranijo čas in denar.

• mAh meri NABOJ, ne moči ali energije — to je, koliko elektronov lahko premaknete
• Za pridobitev energije: Wh = mAh × V ÷ 1000 (napetost je ključna!)
• Enak mAh pri različnih napetostih = različna energija (12V 1000mAh ≠ 3,7V 1000mAh)
• Prenosne baterije: Pričakujte 70-80% uporabne kapacitete (izgube pri pretvorbi napetosti)
• Čas delovanja = Kapaciteta ÷ Tok: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 ur (idealno, dodajte 20% rezerve)
• Tipičen Li-ion: 3,7V nazivno, 4,2V polno, 3,0V prazno (uporabno območje ~80%)

• Naboj iz toka: Q = I × t (coulombi = amperi × sekunde)
• Čas delovanja: t = Q / I (ure = amperske ure / amperi)
• Energija iz naboja: E = Q × V (vatne ure = amperske ure × volti)
• Prilagojeno za učinkovitost: Uporabno = Nazivno × 0,8 (upoštevajte izgube)
• Elektroliza: Q = n × F (coulombi = moli elektronov × Faradayeva konstanta)
• Energija kondenzatorja: E = ½CV² (jouli = ½ faradov × volti²)

• Zamenjava mAh z mWh — naboj proti energiji (za pretvorbo je potrebna napetost!)
• Ignoriranje napetosti pri primerjavi baterij — uporabite Wh za primerjavo energije
• Pričakovanje 100% učinkovitosti prenosne baterije — 20-30% se izgubi zaradi toplote in pretvorbe napetosti
• Mešanje C (coulombov) s C (stopnja praznjenja) — popolnoma različna pomena!
• Predpostavka, da mAh = čas delovanja — poznati morate porabo toka (čas delovanja = mAh ÷ mA)
• Globoko praznjenje Li-ion pod 20% — skrajša življenjsko dobo, nazivna kapaciteta ≠ uporabna kapaciteta

Coulomb (C) je osnovna enota SI za naboj. Definirana iz ampera in sekunde: 1 C = 1 A·s. Predpone od piko do kilo pokrivajo vsa praktična območja.

• 1 C = 1 A·s (natančna definicija)
• mC, µC, nC za majhne naboje
• pC, fC, aC za kvantno/natančno delo
• kC za velike industrijske sisteme

Amperska ura (Ah) in miliamperska ura (mAh) sta standard za baterije. Praktične so, ker so neposredno povezane s porabo toka in časom delovanja. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — pametni telefoni, tablice, slušalke
• Ah — prenosniki, električna orodja, avtomobilski akumulatorji
• kAh — električna vozila, industrijski UPS
• Wh — energijska kapaciteta (odvisna od napetosti)

Elementarni naboj (e) je osnovna enota v fiziki. Faradayeva konstanta v kemiji. Enote CGS (statcoulomb, abcoulomb) v starih učbenikih.

• e = 1,602×10⁻¹⁹ C (elementarni naboj)
• F = 96.485 C (Faradayeva konstanta)
• 1 statC ≈ 3,34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Ves naboj je kvantiziran v večkratnikih elementarnega naboja e. Ne morete imeti 1,5 elektrona. Kvarki imajo delni naboj (⅓e, ⅔e), vendar nikoli ne obstajajo sami.

• Najmanjši prosti naboj: 1e = 1,602×10⁻¹⁹ C
• Elektron: -1e, Proton: +1e
• Vsi predmeti imajo naboj N×e (N je celo število)
• Millikanov poskus z oljno kapljico je dokazal kvantizacijo (1909)

1 mol elektronov nosi 96.485 C naboja. Imenuje se Faradayeva konstanta (F). Osnovno za elektrokemijo in kemijo baterij.

• F = 96.485,33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mol e⁻ = 6,022×10²³ elektronov
• Uporablja se pri izračunih elektrolize
• Povezuje naboj s kemičnimi reakcijami

Sila med naboji: F = k(q₁q₂/r²). Enaki naboji se odbijajo, nasprotni privlačijo. Osnovna sila narave. Pojasnjuje vso kemijo in elektroniko.

• k = 8,99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (produkt nabojev)
• F ∝ 1/r² (zakon obratnega kvadrata)
• Pojasnjuje atomsko strukturo, vezavo

Vsaka naprava na baterije ima oceno kapacitete. Pametni telefoni: 2500-5000 mAh. Prenosniki: 40-100 Wh. Prenosne baterije: 10.000-30.000 mAh.

• iPhone 15: ~3.349 mAh @ 3,85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (omejitev letalskih prevoznikov)
• AirPods: ~500 mAh (skupaj)
• Prenosna baterija: 20.000 mAh @ 3,7V ≈ 74 Wh

Baterije za električna vozila so ocenjene v kWh (energija), vendar je kapaciteta v kAh pri napetosti paketa. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Ogromno v primerjavi s telefoni!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Polnjenje električnih vozil: 50-350 kW DC hitro
• Domače polnjenje: ~7 kW (32A @ 220V)

Galvanizacija, elektroliza, kondenzatorske banke, UPS sistemi vsi vključujejo velike prenose naboja. Industrijski UPS: kapaciteta 100+ kAh. Superkondenzatorji: faradi (C/V).

• Galvanizacija: postopki 10-1000 Ah
• Industrijski UPS: 100+ kAh rezerve
• Superkondenzator: 3000 F = 3000 C/V
• Udar strele: ~15 C tipično

Pomnožite mAh s 3,6, da dobite coulombe. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3,6 C (natančno)
• 1 Ah = 3600 C
• Hitro: mAh × 3,6 → C
• Primer: 3000 mAh = 10.800 C

Delite mAh z ~270 za Wh pri 3,7V Li-ion napetosti.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Pri 3,7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3,7V = 11,1 Wh
• Napetost je pomembna za energijo!

Čas delovanja (h) = Baterija (mAh) ÷ Tok (mA). 3000 mAh pri 300 mA = 10 ur.

• Čas delovanja = Kapaciteta ÷ Tok
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Višji tok = krajši čas delovanja
• Izgube učinkovitosti: pričakujte 80-90%

3500 mAh baterija. Aplikacija porabi 350 mA. Koliko časa do izpraznitve?

Čas delovanja = Kapaciteta ÷ Tok = 3500 ÷ 350 = 10 ur (idealno). Realno: ~8-9 ur (izgube učinkovitosti).

20.000 mAh prenosna baterija. Polnjenje 3.000 mAh telefona. Koliko polnih polnjenj?

Upoštevajte učinkovitost (~80%): 20.000 × 0,8 = 16.000 efektivno. 16.000 ÷ 3.000 = 5,3 polnjenja.

Naložite 1 mol bakra (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Koliko coulombov?

2 mola e⁻ na mol Cu. 2 × F = 2 × 96.485 = 192.970 C ≈ 53,6 Ah.

Vaše telo ima ~10²⁸ protonov in enako število elektronov. Če bi izgubili 0,01% elektronov, bi občutili odbojno silo 10⁹ newtonov—dovolj, da bi zrušili stavbe!

Udar strele: samo ~15 C naboja, ampak 1 milijarda voltov! Energija = Q×V, torej 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. To je 4,2 MWh—lahko bi napajalo vaš dom več mesecev!

Klasična znanstvena predstavitev nabere naboj do milijonov voltov. Skupni naboj? Samo ~10 µC. Šokantno, a varno—nizek tok. Napetost ≠ nevarnost, tok ubija.

Avtomobilski akumulator: 60 Ah = 216.000 C, sprosti se v urah. Superkondenzator: 3000 F = 3000 C/V, sprosti se v sekundah. Gostota energije proti gostoti moči.

1909: Millikan je izmeril elementarni naboj z opazovanjem padajočih nabitih oljnih kapljic. Ugotovil je e = 1,592×10⁻¹⁹ C (sodobno: 1,602). Dobil je Nobelovo nagrado leta 1923.

Kvantizacija naboja elektrona je tako natančna, da se uporablja za definiranje standarda upora. Natančnost: 1 del na 10⁹. Osnovne konstante definirajo vse enote od leta 2019.

mAh meri naboj (koliko elektronov). Wh meri energijo (naboj × napetost). Enak mAh pri različnih napetostih = različna energija. Za primerjavo baterij pri različnih napetostih uporabite Wh. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Nazivna kapaciteta je nominalna, ne uporabna. Li-ion: prazni se od 4,2V (polno) do 3,0V (prazno), vendar ustavitev pri 20% ohranja življenjsko dobo. Izgube pri pretvorbi, toplota in staranje zmanjšajo efektivno kapaciteto. Pričakujte 80-90% nazivne vrednosti.

Ne gre zgolj za razmerje kapacitet. 20.000 mAh prenosna baterija: ~70-80% učinkovita (pretvorba napetosti, toplota). Efektivno: 16.000 mAh. Za 3.000 mAh telefon: 16.000 ÷ 3.000 ≈ 5 polnjenj. V resničnem svetu: 4-5.

Elementarni naboj (e = 1,602×10⁻¹⁹ C) je naboj enega protona ali elektrona. Ves naboj je kvantiziran v večkratnikih e. Osnovno za kvantno mehaniko, definira konstanto fine strukture. Od leta 2019 je e natančen po definiciji.

Da! Negativen naboj pomeni presežek elektronov, pozitiven pomeni pomanjkanje. Skupni naboj je algebrski (se lahko izniči). Elektroni: -e. Protoni: +e. Predmeti: običajno blizu nevtralnega (enako + in -). Enaki naboji se odbijajo, nasprotni privlačijo.

Li-ion: kemične reakcije počasi razgrajujejo materiale elektrod. Vsak cikel polnjenja povzroči majhne nepovratne spremembe. Globoko praznjenje (<20%), visoka temperatura, hitro polnjenje pospešijo staranje. Sodobne baterije: 500-1000 ciklov do 80% kapacitete.