Chaji ya umeme ni tabia ya kimwili inayosababisha chembe kupata nguvu ya sumakuumeme. Inakuja katika hali chanya na hasi. Chaji zinazofanana husukumana, chaji tofauti huvutana. Ni msingi kwa kemia yote na elektroniki.

• coulomb 1 = elektroni 6.24×10¹⁸
• Protoni: +1e, Elektroni: -1e
• Chaji huhifadhiwa (haiundwi/haiharibiwi kamwe)
• Imegawanywa katika vizidisho vya e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Mkondo (I) ni kiwango cha mtiririko wa chaji. Q = I × t. Ampia 1 = coulomb 1 kwa sekunde. Uwezo wa betri katika Ah ni chaji, si mkondo. 1 Ah = 3600 C.

• Mkondo = chaji kwa wakati (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (ufafanuzi)
• 1 Ah = 3600 C (ampia 1 kwa saa 1)
• mAh ni uwezo wa chaji, si nguvu

Betri huhifadhi chaji. Hukadiriwa kwa Ah au mAh (chaji) au Wh (nishati). Wh = Ah × Volti. Betri ya simu: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Volti ni muhimu kwa nishati, si chaji.

• mAh = saa-miliampia (chaji)
• Wh = saa-wati (nishati = chaji × volti)
• mAh ya juu = muda mrefu wa matumizi (volti sawa)
• 3000 mAh ≈ coulomb 10,800

Kabla ya kuelewa chaji kwa kiasi, wanasayansi walichunguza umeme tuli na 'majimaji ya umeme' ya ajabu. Ugunduzi wa betri uliwezesha upimaji sahihi wa mtiririko endelevu wa chaji.

• 1600: William Gilbert anatofautisha umeme na sumaku, anabuni neno 'umeme'
• 1733: Charles du Fay anagundua aina mbili za umeme (chanya na hasi)
• 1745: Chupa ya Leyden inavumbuliwa — kapasita ya kwanza, huhifadhi chaji inayoweza kupimika
• 1785: Coulomb anachapisha sheria ya mraba kinyume F = k(q₁q₂/r²) kwa nguvu ya umeme
• 1800: Volta anavumbua betri — inawezesha mtiririko endelevu, unaoweza kupimika wa chaji
• 1833: Faraday anagundua sheria za elektrolisisi — anahusisha chaji na kemia (thamani ya Faraday)

Coulomb ilibadilika kutoka ufafanuzi wa vitendo unaotegemea viwango vya kielektroniki-kemia hadi ufafanuzi wa kisasa unaohusishwa na ampia na sekunde.

• 1881: Coulomb ya kwanza ya vitendo ilifafanuliwa kupitia kiwango cha upako wa fedha kwa umeme
• 1893: Maonyesho ya Dunia ya Chicago yanasanifisha coulomb kwa matumizi ya kimataifa
• 1948: CGPM inafafanua coulomb kama sekunde-ampia 1 (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Ampia ilifafanuliwa kwa nguvu kati ya nyaya sambamba, na kufanya coulomb kuwa isiyo ya moja kwa moja
• Tatizo: Ufafanuzi wa Ampia unaotegemea nguvu ulikuwa mgumu kutekeleza kwa usahihi wa hali ya juu
• Miaka ya 1990-2010: Metrologia ya quantum (athari ya Josephson, athari ya Hall ya quantum) inawezesha kuhesabu elektroni

Mnamo Mei 20, 2019, chaji ya msingi iliwekwa thabiti kwa usahihi, ikifafanua upya ampia na kufanya coulomb iweze kuzalishwa upya kutokana na thamani za msingi.

• Ufafanuzi mpya: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C kwa usahihi (kutokuwa na uhakika sifuri kwa ufafanuzi)
• Chaji ya msingi sasa ni thamani iliyofafanuliwa, si thamani iliyopimwa
• coulomb 1 = 6.241509074 × 10¹⁸ chaji za msingi (sahihi)
• Vifaa vya upenyaji wa elektroni moja vinaweza kuhesabu elektroni moja baada ya nyingine kwa viwango sahihi vya chaji
• Pembetatu ya metrologia ya quantum: volti (Josephson), ukinzani (Hall ya quantum), mkondo (pampu ya elektroni)
• Matokeo: Maabara yoyote yenye vifaa vya quantum inaweza kutambua coulomb kwa kujitegemea

Ufafanuzi upya wa 2019 unawakilisha maendeleo ya zaidi ya miaka 135 kutoka viwango vya kielektroniki-kemia hadi usahihi wa quantum, na kuwezesha kizazi kijacho cha elektroniki na hifadhi ya nishati.

• Teknolojia ya betri: Vipimo sahihi zaidi vya uwezo kwa magari ya umeme, hifadhi ya gridi
• Kompyuta ya quantum: Udhibiti sahihi wa chaji katika qubiti na transista za elektroni moja
• Metrologia: Maabara za kitaifa zinaweza kutambua coulomb kwa kujitegemea bila vizalia vya kumbukumbu
• Kemia: Thamani ya Faraday sasa ni sahihi, inaboresha mahesabu ya kielektroniki-kemia
• Vifaa vya elektroniki vya watumiaji: Viwango bora vya viwango vya uwezo wa betri na itifaki za kuchaji haraka

• Njia fupi ya mAh kwenda C: Zidisha kwa 3.6 → 1000 mAh = 3600 C kwa usahihi
• Ah kwenda C: Zidisha kwa 3600 → 1 Ah = 3600 C (ampia 1 kwa saa 1)
• Haraka mAh kwenda Wh (3.7V): Gawanya kwa ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh kwenda mAh (3.7V): Zidisha kwa ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Chaji ya msingi: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (kutoka 1.602)
• Thamani ya Faraday: F ≈ 96,500 C/mol (kutoka 96,485)

Kuelewa viwango vya betri kunazuia mkanganyiko kati ya chaji (mAh), volti (V), na nishati (Wh). Kanuni hizi huokoa muda na pesa.

• mAh hupima CHAJI, si nguvu au nishati — ni kiasi gani cha elektroni unachoweza kuhamisha
• Ili kupata nishati: Wh = mAh × V ÷ 1000 (volti ni muhimu sana!)
• mAh sawa katika volti tofauti = nishati tofauti (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Benki za nguvu: Tarajia uwezo wa kutumika wa 70-80% (hasara za ubadilishaji wa volti)
• Muda wa matumizi = Uwezo ÷ Mkondo: 3000 mAh ÷ 300 mA = masaa 10 (kimawazo, ongeza 20% ya ziada)
• Li-ion ya kawaida: 3.7V ya kawaida, 4.2V kamili, 3.0V tupu (kiwango cha matumizi ~80%)

• Chaji kutoka kwa mkondo: Q = I × t (coulomb = ampia × sekunde)
• Muda wa matumizi: t = Q / I (masaa = saa-ampia / ampia)
• Nishati kutoka kwa chaji: E = Q × V (saa-wati = saa-ampia × volti)
• Kurekebishwa kwa ufanisi: Inayotumika = Iliyokadiriwa × 0.8 (zingatia hasara)
• Elektrolisisi: Q = n × F (coulomb = moli za elektroni × thamani ya Faraday)
• Nishati ya kapasita: E = ½CV² (joule = ½ faradi × volti²)

• Kuchanganya mAh na mWh — chaji dhidi ya nishati (unahitaji volti kubadilisha!)
• Kupuuza volti wakati wa kulinganisha betri — tumia Wh kwa kulinganisha nishati
• Kutarajia ufanisi wa 100% wa benki ya nguvu — 20-30% hupotea kwa joto na ubadilishaji wa volti
• Kuchanganya C (coulomb) na C (kiwango cha kutokwa) — maana tofauti kabisa!
• Kudhani mAh = muda wa matumizi — unahitaji kujua matumizi ya mkondo (muda wa matumizi = mAh ÷ mA)
• Kutoa chaji kabisa Li-ion chini ya 20% — hufupisha maisha, uwezo uliokadiriwa ≠ uwezo wa kutumika

Coulomb (C) ndicho kipimo cha msingi cha SI cha chaji. Hufafanuliwa kutoka kwa ampia na sekunde: 1 C = 1 A·s. Viambishi awali kutoka pico hadi kilo vinashughulikia safu zote za vitendo.

• 1 C = 1 A·s (ufafanuzi sahihi)
• mC, µC, nC kwa chaji ndogo
• pC, fC, aC kwa kazi ya quantum/usahihi
• kC kwa mifumo mikubwa ya viwandani

Saa-ampia (Ah) na saa-miliampia (mAh) ni za kawaida kwa betri. Ni za vitendo kwa sababu zinahusiana moja kwa moja na matumizi ya mkondo na muda wa matumizi. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — simu janja, kompyuta kibao, vifaa vya masikioni
• Ah — kompyuta ndogo, zana za nguvu, betri za gari
• kAh — magari ya umeme, UPS za viwandani
• Wh — uwezo wa nishati (hutegemea volti)

Chaji ya msingi (e) ni kipimo cha msingi katika fizikia. Thamani ya Faraday katika kemia. Vipimo vya CGS (statcoulomb, abcoulomb) katika vitabu vya zamani.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (chaji ya msingi)
• F = 96,485 C (thamani ya Faraday)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Chaji yote imegawanywa katika vizidisho vya chaji ya msingi e. Huwezi kuwa na elektroni 1.5. Quark zina chaji ya sehemu (⅓e, ⅔e) lakini hazipatikani peke yake.

• Chaji ndogo zaidi huru: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Elektroni: -1e, Protoni: +1e
• Vitu vyote vina chaji ya N×e (N ni nambari kamili)
• Jaribio la tone la mafuta la Millikan lilithibitisha uainishaji (1909)

Moli 1 ya elektroni hubeba chaji ya 96,485 C. Inaitwa thamani ya Faraday (F). Ni msingi kwa kielektroniki-kemia na kemia ya betri.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• moli 1 e⁻ = elektroni 6.022×10²³
• Inatumika katika mahesabu ya elektrolisisi
• Inahusisha chaji na miitikio ya kikemia

Nguvu kati ya chaji: F = k(q₁q₂/r²). Chaji zinazofanana husukumana, tofauti huvutana. Nguvu ya msingi ya asili. Hufafanua kemia yote na elektroniki.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (bidhaa ya chaji)
• F ∝ 1/r² (sheria ya mraba kinyume)
• Hufafanua muundo wa atomi, uunganishaji

Kila kifaa kinachotumia betri kina kiwango cha uwezo. Simu janja: 2500-5000 mAh. Kompyuta ndogo: 40-100 Wh. Benki za nguvu: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (kikomo cha ndege)
• AirPods: ~500 mAh (pamoja)
• Benki ya nguvu: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Betri za EV hukadiriwa kwa kWh (nishati), lakini uwezo ni kAh kwa volti ya pakiti. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Kubwa sana ikilinganishwa na simu!

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

Upako wa umeme, elektrolisisi, benki za kapasita, mifumo ya UPS yote inahusisha uhamishaji mkubwa wa chaji. UPS ya viwandani: uwezo wa 100+ kAh. Kapasita bora: faradi (C/V).

• Upako wa umeme: michakato ya 10-1000 Ah
• UPS ya viwandani: hifadhi ya 100+ kAh
• Kapasita bora: 3000 F = 3000 C/V
• Mwale wa radi: ~15 C ya kawaida

Zidisha mAh kwa 3.6 kupata coulomb. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (sahihi)
• 1 Ah = 3600 C
• Haraka: mAh × 3.6 → C
• Mfano: 3000 mAh = 10,800 C

Gawanya mAh kwa ~270 kwa Wh kwa volti ya Li-ion ya 3.7V.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Kwa 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Volti ni muhimu kwa nishati!

Muda wa matumizi (s) = Betri (mAh) ÷ Mkondo (mA). 3000 mAh kwa 300 mA = masaa 10.

• Muda wa matumizi = Uwezo ÷ Mkondo
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 s
• Mkondo wa juu = muda mfupi wa matumizi
• Hasara za ufanisi: tarajia 80-90%

Betri ya 3500 mAh. Programu hutumia 350 mA. Itachukua muda gani kuisha?

Muda wa matumizi = Uwezo ÷ Mkondo = 3500 ÷ 350 = masaa 10 (kimawazo). Halisi: ~masaa 8-9 (hasara za ufanisi).

Benki ya nguvu ya 20,000 mAh. Chaji simu ya 3,000 mAh. Ni chaji ngapi kamili?

Zingatia ufanisi (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 inayofaa. 16,000 ÷ 3,000 = chaji 5.3.

Weka moli 1 ya shaba (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Ni coulomb ngapi?

moli 2 za e⁻ kwa kila moli ya Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

Mwili wako una ~10²⁸ protoni na idadi sawa ya elektroni. Ukipoteza 0.01% ya elektroni, ungehisi nguvu ya msukumo ya nyutoni 10⁹—inayotosha kubomoa majengo!

Mwale wa radi: chaji ya ~15 C tu, lakini volti bilioni 1! Nishati = Q×V, kwa hivyo 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Hiyo ni 4.2 MWh—inaweza kuipa nyumba yako nguvu kwa miezi!

Onyesho la kawaida la sayansi hujenga chaji hadi mamilioni ya volti. Jumla ya chaji? Takriban 10 µC tu. Inashtua lakini ni salama—mkondo wa chini. Volti ≠ hatari, mkondo huua.

Betri ya gari: 60 Ah = 216,000 C, hutoka kwa masaa. Kapasita bora: 3000 F = 3000 C/V, hutoka kwa sekunde. Uzito wa nishati dhidi ya uzito wa nguvu.

1909: Millikan alipima chaji ya msingi kwa kutazama matone ya mafuta yaliyochajiwa yakianguka. Aligundua e = 1.592×10⁻¹⁹ C (ya kisasa: 1.602). Alishinda Tuzo ya Nobel ya 1923.

Uainishaji wa chaji ya elektroni ni sahihi sana, hutumika kufafanua kiwango cha ukinzani. Usahihi: sehemu 1 katika 10⁹. Thamani za msingi hufafanua vipimo vyote tangu 2019.

mAh hupima chaji (kiasi cha elektroni). Wh hupima nishati (chaji × volti). mAh sawa katika volti tofauti = nishati tofauti. Tumia Wh kulinganisha betri katika volti tofauti. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Uwezo uliokadiriwa ni wa kawaida, si wa kutumika. Li-ion: hutoka 4.2V (kamili) hadi 3.0V (tupu), lakini kuacha kwa 20% huhifadhi maisha. Hasara za ubadilishaji, joto, na kuzeeka hupunguza uwezo wa ufanisi. Tarajia 80-90% ya iliyokadiriwa.

Si tu uwiano wa uwezo. Benki ya nguvu ya 20,000 mAh: ufanisi wa ~70-80% (ubadilishaji wa volti, joto). Ufanisi: 16,000 mAh. Kwa simu ya 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ chaji 5. Ulimwengu halisi: 4-5.

Chaji ya msingi (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) ni chaji ya protoni moja au elektroni moja. Chaji yote imegawanywa katika vizidisho vya e. Ni msingi kwa mekaniki ya quantum, inafafanua muundo mzuri wa kudumu. Tangu 2019, e ni sahihi kwa ufafanuzi.

Ndio! Chaji hasi inamaanisha ziada ya elektroni, chaji chanya inamaanisha upungufu. Jumla ya chaji ni ya kialjebra (inaweza kufuta). Elektroni: -e. Protoni: +e. Vitu: kawaida karibu na kutokuwa na upande (sawa + na -). Chaji zinazofanana husukumana, tofauti huvutana.

Li-ion: miitikio ya kikemia huharibu polepole vifaa vya elektrodi. Kila mzunguko wa kuchaji husababisha mabadiliko madogo yasiyoweza kurekebishwa. Kutoa chaji kabisa (<20%), joto la juu, kuchaji haraka huharakisha kuzeeka. Betri za kisasa: mizunguko 500-1000 hadi 80% ya uwezo.