ประจุไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากับอนุภาค มีทั้งประจุบวกและประจุลบ ประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน, ประจุต่างชนิดจะดึงดูดกัน เป็นพื้นฐานของวิชาเคมีและอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด

• 1 คูลอมบ์ = 6.24×10¹⁸ อิเล็กตรอน
• โปรตอน: +1e, อิเล็กตรอน: -1e
• ประจุถูกอนุรักษ์ (ไม่เคยถูกสร้างหรือทำลาย)
• ถูกทำให้เป็นควอนตัมในพหุคูณของ e = 1.602×10⁻¹⁹ C

กระแสไฟฟ้า (I) คืออัตราการไหลของประจุ Q = I × t 1 แอมแปร์ = 1 คูลอมบ์ต่อวินาที ความจุของแบตเตอรี่ในหน่วย Ah คือประจุ ไม่ใช่กระแสไฟฟ้า 1 Ah = 3600 C

• กระแสไฟฟ้า = ประจุต่อเวลา (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (นิยาม)
• 1 Ah = 3600 C (1 แอมแปร์เป็นเวลา 1 ชั่วโมง)
• mAh คือความจุของประจุ ไม่ใช่กำลังไฟฟ้า

แบตเตอรี่เก็บประจุไฟฟ้า มีค่าพิกัดเป็น Ah หรือ mAh (ประจุ) หรือ Wh (พลังงาน) Wh = Ah × แรงดันไฟฟ้า แบตเตอรี่โทรศัพท์: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh แรงดันไฟฟ้ามีความสำคัญต่อพลังงาน ไม่ใช่ประจุ

• mAh = มิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง (ประจุ)
• Wh = วัตต์-ชั่วโมง (พลังงาน = ประจุ × แรงดันไฟฟ้า)
• mAh ที่สูงขึ้น = ระยะเวลาใช้งานนานขึ้น (ที่แรงดันไฟฟ้าเดียวกัน)
• 3000 mAh ≈ 10,800 คูลอมบ์

ก่อนที่จะเข้าใจประจุในเชิงปริมาณ นักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจไฟฟ้าสถิตและ 'ของเหลวไฟฟ้า' ที่ลึกลับ การประดิษฐ์แบตเตอรี่ทำให้สามารถวัดการไหลของประจุอย่างต่อเนื่องได้อย่างแม่นยำ

• 1600: วิลเลียม กิลเบิร์ต แยกความแตกต่างระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก และบัญญัติคำว่า 'electric'
• 1733: ชาร์ลส์ ดู เฟย์ ค้นพบไฟฟ้าสองประเภท (บวกและลบ)
• 1745: ขวดไลเดนถูกประดิษฐ์ขึ้น — เป็นตัวเก็บประจุตัวแรกที่สามารถเก็บประจุที่วัดได้
• 1785: คูลอมบ์ตีพิมพ์กฎกำลังสองผกผัน F = k(q₁q₂/r²) สำหรับแรงไฟฟ้า
• 1800: โวลตาสร้างแบตเตอรี่ขึ้น — ทำให้เกิดการไหลของประจุที่ต่อเนื่องและวัดได้
• 1833: ฟาราเดย์ค้นพบกฎของอิเล็กโทรลิซิส — เชื่อมโยงประจุเข้ากับเคมี (ค่าคงที่ฟาราเดย์)

คูลอมบ์ได้พัฒนาจากนิยามเชิงปฏิบัติที่อิงตามมาตรฐานทางเคมีไฟฟ้าไปสู่นิยามสมัยใหม่ที่เชื่อมโยงกับแอมแปร์และวินาที

• 1881: คูลอมบ์เชิงปฏิบัติหน่วยแรกถูกนิยามผ่านมาตรฐานการชุบเงินด้วยไฟฟ้า
• 1893: งานแสดงสินค้าระดับโลกที่ชิคาโกกำหนดมาตรฐานคูลอมบ์สำหรับการใช้งานระหว่างประเทศ
• 1948: CGPM นิยามคูลอมบ์เป็น 1 แอมแปร์-วินาที (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: แอมแปร์ถูกนิยามโดยแรงระหว่างตัวนำขนาน ทำให้คูลอมบ์เป็นหน่วยทางอ้อม
• ปัญหา: นิยามของแอมแปร์ที่อิงตามแรงนั้นยากที่จะทำให้เกิดขึ้นจริงด้วยความแม่นยำสูง
• ทศวรรษ 1990-2010: มาตรวิทยาควอนตัม (ปรากฏการณ์โจเซฟสัน, ปรากฏการณ์ฮอลล์ควอนตัม) ทำให้สามารถนับอิเล็กตรอนได้

ในวันที่ 20 พฤษภาคม 2019 ประจุมูลฐานได้ถูกกำหนดค่าอย่างแม่นยำ ทำให้นิยามของแอมแปร์เปลี่ยนไป และทำให้สามารถสร้างคูลอมบ์ขึ้นใหม่จากค่าคงที่พื้นฐานได้

• นิยามใหม่: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C อย่างแม่นยำ (ความไม่แน่นอนเป็นศูนย์ตามนิยาม)
• ประจุมูลฐานตอนนี้เป็นค่าคงที่ที่ถูกนิยาม ไม่ใช่ค่าที่ได้จากการวัด
• 1 คูลอมบ์ = 6.241509074 × 10¹⁸ ประจุมูลฐาน (แม่นยำ)
• อุปกรณ์อุโมงค์อิเล็กตรอนเดี่ยวสามารถนับอิเล็กตรอนทีละตัวเพื่อสร้างมาตรฐานประจุที่แม่นยำ
• สามเหลี่ยมมาตรวิทยาควอนตัม: แรงดันไฟฟ้า (โจเซฟสัน), ความต้านทาน (ฮอลล์ควอนตัม), กระแสไฟฟ้า (ปั๊มอิเล็กตรอน)
• ผลลัพธ์: ห้องปฏิบัติการใดๆ ที่มีอุปกรณ์ควอนตัมสามารถสร้างคูลอมบ์ได้อย่างอิสระ

การนิยามใหม่ในปี 2019 แสดงถึงความก้าวหน้ากว่า 135 ปีจากมาตรฐานทางเคมีไฟฟ้าไปสู่ความแม่นยำระดับควอนตัม ซึ่งช่วยให้เกิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการจัดเก็บพลังงานรุ่นต่อไป

• เทคโนโลยีแบตเตอรี่: การวัดความจุที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า, การจัดเก็บพลังงานในกริด
• การคำนวณควอนตัม: การควบคุมประจุที่แม่นยำในคิวบิตและทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว
• มาตรวิทยา: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติสามารถสร้างคูลอมบ์ได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้วัตถุอ้างอิง
• เคมี: ค่าคงที่ฟาราเดย์ตอนนี้แม่นยำ, ช่วยปรับปรุงการคำนวณทางเคมีไฟฟ้า
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: มาตรฐานที่ดีขึ้นสำหรับค่าพิกัดความจุแบตเตอรี่และโปรโตคอลการชาร์จเร็ว

• ทางลัด mAh เป็น C: คูณด้วย 3.6 → 1000 mAh = 3600 C อย่างแม่นยำ
• Ah เป็น C: คูณด้วย 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 แอมแปร์เป็นเวลา 1 ชั่วโมง)
• ทางลัด mAh เป็น Wh (3.7V): หารด้วย ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh เป็น mAh (3.7V): คูณด้วย ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• ประจุมูลฐาน: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (ปัดเศษจาก 1.602)
• ค่าคงที่ฟาราเดย์: F ≈ 96,500 C/mol (ปัดเศษจาก 96,485)

การทำความเข้าใจค่าพิกัดของแบตเตอรี่ช่วยป้องกันความสับสนระหว่างประจุ (mAh), แรงดันไฟฟ้า (V) และพลังงาน (Wh) กฎเหล่านี้ช่วยประหยัดเวลาและเงิน

• mAh วัดประจุ ไม่ใช่กำลังไฟฟ้าหรือพลังงาน — มันคือจำนวนอิเล็กตรอนที่คุณสามารถเคลื่อนย้ายได้
• เพื่อให้ได้พลังงาน: Wh = mAh × V ÷ 1000 (แรงดันไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญ!)
• mAh เท่ากันที่แรงดันไฟฟ้าต่างกัน = พลังงานต่างกัน (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• พาวเวอร์แบงค์: คาดว่ามีความจุที่ใช้งานได้ 70-80% (การสูญเสียจากการแปลงแรงดันไฟฟ้า)
• ระยะเวลาใช้งาน = ความจุ ÷ กระแสไฟฟ้า: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 ชั่วโมง (ในอุดมคติ, เพิ่มส่วนเผื่อ 20%)
• ลิเธียมไอออนทั่วไป: 3.7V ปกติ, 4.2V เต็ม, 3.0V ว่าง (ช่วงที่ใช้งานได้ ~80%)

• ประจุจากกระแสไฟฟ้า: Q = I × t (คูลอมบ์ = แอมแปร์ × วินาที)
• ระยะเวลาใช้งาน: t = Q / I (ชั่วโมง = แอมแปร์-ชั่วโมง / แอมแปร์)
• พลังงานจากประจุ: E = Q × V (วัตต์-ชั่วโมง = แอมแปร์-ชั่วโมง × โวลต์)
• ปรับประสิทธิภาพแล้ว: ใช้งานได้ = ค่าพิกัด × 0.8 (คำนึงถึงการสูญเสีย)
• อิเล็กโทรลิซิส: Q = n × F (คูลอมบ์ = โมลของอิเล็กตรอน × ค่าคงที่ฟาราเดย์)
• พลังงานของตัวเก็บประจุ: E = ½CV² (จูล = ½ ฟารัด × โวลต์²)

• สับสนระหว่าง mAh กับ mWh — ประจุเทียบกับพลังงาน (ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเพื่อแปลง!)
• ไม่สนใจแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบแบตเตอรี่ — ใช้ Wh สำหรับการเปรียบเทียบพลังงาน
• คาดหวังประสิทธิภาพของพาวเวอร์แบงค์ 100% — 20-30% สูญเสียไปกับความร้อนและการแปลงแรงดันไฟฟ้า
• สับสนระหว่าง C (คูลอมบ์) กับ C (อัตราการคายประจุ) — ความหมายแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง!
• สมมติว่า mAh = ระยะเวลาใช้งาน — ต้องรู้การดึงกระแส (ระยะเวลาใช้งาน = mAh ÷ mA)
• การคายประจุลิเธียมไอออนอย่างลึกต่ำกว่า 20% — ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง, ความจุที่ระบุ ≠ ความจุที่ใช้งานได้

คูลอมบ์ (C) เป็นหน่วยฐานของ SI สำหรับประจุไฟฟ้า นิยามจากแอมแปร์และวินาที: 1 C = 1 A·s คำอุปสรรคตั้งแต่พิโคถึงกิโลครอบคลุมทุกช่วงการใช้งานจริง

• 1 C = 1 A·s (นิยามที่แน่นอน)
• mC, µC, nC สำหรับประจุขนาดเล็ก
• pC, fC, aC สำหรับงานควอนตัม/ความแม่นยำสูง
• kC สำหรับระบบอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

แอมแปร์-ชั่วโมง (Ah) และมิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง (mAh) เป็นมาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่ มีประโยชน์ในทางปฏิบัติเพราะเกี่ยวข้องโดยตรงกับการดึงกระแสและระยะเวลาใช้งาน 1 Ah = 3600 C

• mAh — สมาร์ทโฟน, แท็บเล็ต, หูฟัง
• Ah — แล็ปท็อป, เครื่องมือไฟฟ้า, แบตเตอรี่รถยนต์
• kAh — ยานพาหนะไฟฟ้า, UPS อุตสาหกรรม
• Wh — ความจุพลังงาน (ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า)

ประจุมูลฐาน (e) เป็นหน่วยพื้นฐานในฟิสิกส์ ค่าคงที่ฟาราเดย์ในเคมี หน่วย CGS (สแตทคูลอมบ์, แอบคูลอมบ์) ในตำราเรียนเก่า

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

ประจุทั้งหมดถูกทำให้เป็นควอนตัมในพหุคูณของประจุมูลฐาน e คุณไม่สามารถมีอิเล็กตรอน 1.5 ตัวได้ ควาร์กมีประจุเป็นเศษส่วน (⅓e, ⅔e) แต่ไม่เคยอยู่เดี่ยวๆ

• ประจุอิสระที่เล็กที่สุด: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• อิเล็กตรอน: -1e, โปรตอน: +1e
• วัตถุทั้งหมดมีประจุ N×e (N เป็นจำนวนเต็ม)
• การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกนพิสูจน์การควอนไทซ์ (1909)

อิเล็กตรอน 1 โมลมีประจุ 96,485 C เรียกว่าค่าคงที่ฟาราเดย์ (F) เป็นพื้นฐานของวิชาเคมีไฟฟ้าและเคมีของแบตเตอรี่

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 โมล e⁻ = 6.022×10²³ อิเล็กตรอน
• ใช้ในการคำนวณอิเล็กโทรลิซิส
• เชื่อมโยงประจุกับปฏิกิริยาเคมี

แรงระหว่างประจุ: F = k(q₁q₂/r²) ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน, ต่างชนิดดึงดูดกัน เป็นแรงพื้นฐานของธรรมชาติ อธิบายวิชาเคมีและอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (ผลคูณของประจุ)
• F ∝ 1/r² (กฎกำลังสองผกผัน)
• อธิบายโครงสร้างอะตอม, พันธะเคมี

อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ทุกชิ้นมีค่าพิกัดความจุ สมาร์ทโฟน: 2500-5000 mAh แล็ปท็อป: 40-100 Wh พาวเวอร์แบงค์: 10,000-30,000 mAh

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (ขีดจำกัดของสายการบิน)
• AirPods: ~500 mAh (รวมกัน)
• พาวเวอร์แบงค์: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

แบตเตอรี่ EV มีค่าพิกัดเป็น kWh (พลังงาน) แต่ความจุคือ kAh ที่แรงดันไฟฟ้าของแพ็ค Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah ใหญ่มากเมื่อเทียบกับโทรศัพท์!

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

การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า, อิเล็กโทรลิซิส, แบงค์ตัวเก็บประจุ, ระบบ UPS ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุขนาดใหญ่ UPS อุตสาหกรรม: ความจุ 100+ kAh ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์: ฟารัด (C/V)

• การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า: กระบวนการ 10-1000 Ah
• UPS อุตสาหกรรม: สำรอง 100+ kAh
• ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์: 3000 F = 3000 C/V
• ฟ้าผ่า: ~15 C โดยทั่วไป

คูณ mAh ด้วย 3.6 เพื่อให้ได้คูลอมบ์ 1000 mAh = 3600 C

• 1 mAh = 3.6 C (แน่นอน)
• 1 Ah = 3600 C
• ทางลัด: mAh × 3.6 → C
• ตัวอย่าง: 3000 mAh = 10,800 C

หาร mAh ด้วย ~270 เพื่อให้ได้ Wh ที่แรงดันไฟฟ้าลิเธียมไอออน 3.7V

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• ที่ 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• แรงดันไฟฟ้ามีความสำคัญต่อพลังงาน!

ระยะเวลาใช้งาน (ชม.) = แบตเตอรี่ (mAh) ÷ กระแสไฟฟ้า (mA) 3000 mAh ที่ 300 mA = 10 ชั่วโมง

• ระยะเวลาใช้งาน = ความจุ ÷ กระแสไฟฟ้า
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 ชม.
• กระแสไฟฟ้าสูงขึ้น = ระยะเวลาใช้งานสั้นลง
• การสูญเสียประสิทธิภาพ: คาดว่า 80-90%

แบตเตอรี่ 3500 mAh แอปพลิเคชันใช้ 350 mA จะใช้ได้นานแค่ไหน?

ระยะเวลาใช้งาน = ความจุ ÷ กระแสไฟฟ้า = 3500 ÷ 350 = 10 ชั่วโมง (ในอุดมคติ) ในความเป็นจริง: ~8-9 ชั่วโมง (การสูญเสียประสิทธิภาพ)

พาวเวอร์แบงค์ 20,000 mAh ชาร์จโทรศัพท์ 3,000 mAh จะชาร์จเต็มได้กี่ครั้ง?

คำนึงถึงประสิทธิภาพ (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 ที่ใช้งานได้ 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 ครั้ง

ฝากทองแดง 1 โมล (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu) ต้องใช้กี่คูลอมบ์?

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

ร่างกายของคุณมีโปรตอน ~10²⁸ ตัวและอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากัน หากคุณสูญเสียอิเล็กตรอน 0.01%, คุณจะรู้สึกถึงแรงผลัก 10⁹ นิวตัน—เพียงพอที่จะทำลายอาคารได้!

ฟ้าผ่า: มีประจุเพียง ~15 C, แต่มีแรงดันไฟฟ้า 1 พันล้านโวลต์! พลังงาน = Q×V, ดังนั้น 15 C × 10⁹ V = 15 GJ นั่นคือ 4.2 MWh—สามารถให้พลังงานแก่บ้านของคุณได้เป็นเวลาหลายเดือน!

การสาธิตทางวิทยาศาสตร์แบบคลาสสิกสร้างประจุได้ถึงหลายล้านโวลต์ ประจุทั้งหมด? เพียง ~10 µC น่าตกใจแต่ปลอดภัย—กระแสไฟฟ้าต่ำ แรงดันไฟฟ้า ≠ อันตราย, กระแสไฟฟ้าต่างหากที่อันตราย

แบตเตอรี่รถยนต์: 60 Ah = 216,000 C, ปล่อยประจุเป็นเวลาหลายชั่วโมง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์: 3000 F = 3000 C/V, ปล่อยประจุในไม่กี่วินาที ความหนาแน่นของพลังงานเทียบกับความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า

ปี 1909: มิลลิแกนวัดประจุมูลฐานโดยการดูหยดน้ำมันที่มีประจุตกลงมา เขาพบว่า e = 1.592×10⁻¹⁹ C (ปัจจุบัน: 1.602) ได้รับรางวัลโนเบลปี 1923

การควอนไทซ์ของประจุอิเล็กตรอนมีความแม่นยำมากจนถูกใช้ในการกำหนดมาตรฐานความต้านทาน ความแม่นยำ: 1 ส่วนใน 10⁹ ค่าคงที่พื้นฐานกำหนดหน่วยทั้งหมดตั้งแต่ปี 2019

mAh วัดประจุ (จำนวนอิเล็กตรอน) Wh วัดพลังงาน (ประจุ × แรงดันไฟฟ้า) mAh เท่ากันที่แรงดันไฟฟ้าต่างกัน = พลังงานต่างกัน ใช้ Wh เพื่อเปรียบเทียบแบตเตอรี่ที่แรงดันไฟฟ้าต่างกัน Wh = mAh × V ÷ 1000

ความจุที่ระบุเป็นค่าปกติ, ไม่ใช่ค่าที่ใช้งานได้ ลิเธียมไอออน: คายประจุจาก 4.2V (เต็ม) ถึง 3.0V (ว่าง), แต่การหยุดที่ 20% จะช่วยรักษาอายุการใช้งาน การสูญเสียจากการแปลง, ความร้อน, และการเสื่อมสภาพลดความจุที่มีประสิทธิภาพลง คาดว่า 80-90% ของค่าที่ระบุ

ไม่ใช่แค่เรื่องอัตราส่วนความจุ พาวเวอร์แบงค์ 20,000 mAh: มีประสิทธิภาพ ~70-80% (การแปลงแรงดันไฟฟ้า, ความร้อน) ความจุที่มีประสิทธิภาพ: 16,000 mAh สำหรับโทรศัพท์ 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 ครั้ง ในความเป็นจริง: 4-5 ครั้ง

ประจุมูลฐาน (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) คือประจุของโปรตอนหรืออิเล็กตรอนหนึ่งตัว ประจุทั้งหมดถูกทำให้เป็นควอนตัมในพหุคูณของ e เป็นพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม, กำหนดค่าคงที่โครงสร้างละเอียด ตั้งแต่ปี 2019, e ถูกกำหนดให้เป็นค่าที่แน่นอนตามนิยาม

ได้! ประจุลบหมายถึงมีอิเล็กตรอนเกิน, ประจุบวกหมายถึงขาดอิเล็กตรอน ประจุรวมเป็นพีชคณิต (สามารถหักล้างกันได้) อิเล็กตรอน: -e โปรตอน: +e วัตถุ: โดยทั่วไปเกือบเป็นกลาง (มี + และ - เท่ากัน) ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน, ต่างชนิดดึงดูดกัน

ลิเธียมไอออน: ปฏิกิริยาเคมีจะค่อยๆ ทำให้วัสดุอิเล็กโทรดเสื่อมสภาพ ทุกรอบการชาร์จทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ การคายประจุลึก (<20%), อุณหภูมิสูง, การชาร์จเร็วเร่งการเสื่อมสภาพ แบตเตอรี่สมัยใหม่: 500-1000 รอบถึง 80% ของความจุ