Електричний заряд — це фізична властивість, яка змушує частинки відчувати електромагнітну силу. Існує позитивний і негативний. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються. Фундаментальний для всієї хімії та електроніки.

• 1 кулон = 6.24×10¹⁸ електронів
• Протон: +1e, Електрон: -1e
• Заряд зберігається (ніколи не створюється/не руйнується)
• Квантується в кратних одиницях e = 1.602×10⁻¹⁹ Кл

Струм (I) — це швидкість потоку заряду. Q = I × t. 1 ампер = 1 кулон за секунду. Ємність батареї в Аг — це заряд, а не струм. 1 Аг = 3600 Кл.

• Струм = заряд за час (I = Q/t)
• 1 A = 1 Кл/с (визначення)
• 1 Аг = 3600 Кл (1 ампер протягом 1 години)
• мАг — це ємність заряду, а не потужність

Батареї зберігають заряд. Характеризуються в Аг або мАг (заряд) або Вт·год (енергія). Вт·год = Аг × Напруга. Батарея телефону: 3000 мАг при 3.7В ≈ 11 Вт·год. Напруга важлива для енергії, а не для заряду.

• мАг = міліампер-година (заряд)
• Вт·год = ват-година (енергія = заряд × напруга)
• Більше мАг = довший час роботи (при тій самій напрузі)
• 3000 мАг ≈ 10,800 кулонів

Перш ніж кількісно зрозуміти заряд, вчені досліджували статичну електрику та таємничу 'електричну рідину'. Винахід батарей дозволив точно вимірювати безперервний потік заряду.

• 1600: Вільям Гілберт розрізняє електрику та магнетизм, вводить термін 'електричний'
• 1733: Шарль дю Фей відкриває два типи електрики (позитивну та негативну)
• 1745: Винайдено Лейденську банку — перший конденсатор, що зберігає вимірюваний заряд
• 1785: Кулон публікує закон обернених квадратів F = k(q₁q₂/r²) для електричної сили
• 1800: Вольта винаходить батарею — уможливлює безперервний, вимірюваний потік заряду
• 1833: Фарадей відкриває закони електролізу — пов'язує заряд з хімією (стала Фарадея)

Кулон еволюціонував від практичних визначень, заснованих на електрохімічних стандартах, до сучасного визначення, пов'язаного з ампером та секундою.

• 1881: Перший практичний кулон визначено за допомогою стандарту срібного електропокриття
• 1893: Всесвітня виставка в Чикаго стандартизує кулон для міжнародного використання
• 1948: CGPM визначає кулон як 1 ампер-секунду (1 Кл = 1 А·с)
• 1960-2018: Ампер визначається силою між паралельними провідниками, що робить кулон непрямим
• Проблема: Визначення ампера на основі сили було важко реалізувати з високою точністю
• 1990-ті-2010-ті: Квантова метрологія (ефект Джозефсона, квантовий ефект Холла) дозволяє рахувати електрони

20 травня 2019 року елементарний заряд було зафіксовано точно, що перевизначило ампер і зробило кулон відтворюваним з фундаментальних констант.

• Нове визначення: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ Кл точно (нульова невизначеність за визначенням)
• Елементарний заряд тепер є визначеною константою, а не виміряною величиною
• 1 кулон = 6.241509074 × 10¹⁸ елементарних зарядів (точно)
• Пристрої з тунелюванням одного електрона можуть рахувати електрони один за одним для точних стандартів заряду
• Квантовий метрологічний трикутник: напруга (Джозефсон), опір (квантовий Холл), струм (електронний насос)
• Результат: Будь-яка лабораторія з квантовим обладнанням може самостійно реалізувати кулон

Перевизначення 2019 року представляє понад 135 років прогресу від електрохімічних стандартів до квантової точності, що уможливлює електроніку та зберігання енергії наступного покоління.

• Технологія батарей: Більш точні вимірювання ємності для електромобілів, зберігання енергії в мережі
• Квантові обчислення: Точний контроль заряду в кубітах та одноелектронних транзисторах
• Метрологія: Національні лабораторії можуть самостійно реалізувати кулон без еталонів
• Хімія: Стала Фарадея тепер точна, що покращує розрахунки в електрохімії
• Споживча електроніка: Кращі стандарти для характеристик ємності батарей та протоколів швидкої зарядки

• Скорочення мАг в Кл: Помножте на 3.6 → 1000 мАг = 3600 Кл точно
• Аг в Кл: Помножте на 3600 → 1 Аг = 3600 Кл (1 ампер протягом 1 години)
• Швидко мАг у Вт·год (3.7В): Розділіть на ~270 → 3000 мАг ≈ 11 Вт·год
• Вт·год у мАг (3.7В): Помножте на ~270 → 11 Вт·год ≈ 2970 мАг
• Елементарний заряд: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ Кл (округлено з 1.602)
• Стала Фарадея: F ≈ 96,500 Кл/моль (округлено з 96,485)

Розуміння характеристик батарей запобігає плутанині між зарядом (мАг), напругою (В) та енергією (Вт·год). Ці правила економлять час і гроші.

• мАг вимірює ЗАРЯД, а не потужність чи енергію — це кількість електронів, яку ви можете перемістити
• Щоб отримати енергію: Вт·год = мАг × В ÷ 1000 (напруга є критично важливою!)
• Однакова ємність в мАг при різних напругах = різна енергія (12В 1000мАг ≠ 3.7В 1000мАг)
• Павербанки: Очікуйте 70-80% корисної ємності (втрати при перетворенні напруги)
• Час роботи = Ємність ÷ Струм: 3000 мАг ÷ 300 мА = 10 годин (ідеально, додайте 20% запасу)
• Типовий Li-ion: 3.7В номінальна, 4.2В повна, 3.0В порожня (корисний діапазон ~80%)

• Заряд від струму: Q = I × t (кулони = ампери × секунди)
• Час роботи: t = Q / I (години = ампер-години / ампери)
• Енергія від заряду: E = Q × V (ват-години = ампер-години × вольти)
• З поправкою на ефективність: Корисна = Номінальна × 0.8 (враховуйте втрати)
• Електроліз: Q = n × F (кулони = молі електронів × стала Фарадея)
• Енергія конденсатора: E = ½CV² (джоулі = ½ фарад × вольти²)

• Плутати мАг з мВт·год — заряд проти енергії (потрібна напруга для перетворення!)
• Ігнорувати напругу при порівнянні батарей — використовуйте Вт·год для порівняння енергії
• Очікувати 100% ефективності павербанка — 20-30% втрачається на тепло та перетворення напруги
• Плутати Кл (кулони) з C (швидкість розряду) — абсолютно різні значення!
• Припускати, що мАг = час роботи — потрібно знати споживаний струм (час роботи = мАг ÷ мА)
• Глибоко розряджати Li-ion нижче 20% — скорочує термін служби, номінальна ємність ≠ корисна ємність

Кулон (Кл) — це базова одиниця СІ для заряду. Визначається через ампер і секунду: 1 Кл = 1 А·с. Префікси від піко- до кіло- охоплюють усі практичні діапазони.

• 1 Кл = 1 А·с (точне визначення)
• мКл, мкКл, нКл для малих зарядів
• пКл, фКл, аКл для квантових/точних робіт
• кКл для великих промислових систем

Ампер-година (Аг) та міліампер-година (мАг) є стандартними для батарей. Вони практичні, оскільки безпосередньо пов'язані зі споживанням струму та часом роботи. 1 Аг = 3600 Кл.

• мАг — смартфони, планшети, навушники
• Аг — ноутбуки, електроінструменти, автомобільні акумулятори
• кАг — електромобілі, промислові ДБЖ
• Вт·год — енергетична ємність (залежить від напруги)

Елементарний заряд (e) — фундаментальна одиниця у фізиці. Стала Фарадея в хімії. Одиниці СГС (статкулон, абкулон) у старих підручниках.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ Кл (елементарний заряд)
• F = 96,485 Кл (стала Фарадея)
• 1 статКл ≈ 3.34×10⁻¹⁰ Кл (ЕСО)
• 1 абКл = 10 Кл (ЕМО)

Весь заряд квантується в кратних одиницях елементарного заряду e. Ви не можете мати 1.5 електрона. Кварки мають дробовий заряд (⅓e, ⅔e), але ніколи не існують поодинці.

• Найменший вільний заряд: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ Кл
• Електрон: -1e, Протон: +1e
• Усі об'єкти мають заряд N×e (N — ціле число)
• Експеримент Міллікена з краплею олії довів квантування (1909)

1 моль електронів несе 96,485 Кл заряду. Називається сталою Фарадея (F). Фундаментальна для електрохімії та хімії батарей.

• F = 96,485.33212 Кл/моль (CODATA 2018)
• 1 моль e⁻ = 6.022×10²³ електронів
• Використовується в розрахунках електролізу
• Пов'язує заряд з хімічними реакціями

Сила між зарядами: F = k(q₁q₂/r²). Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються. Фундаментальна сила природи. Пояснює всю хімію та електроніку.

• k = 8.99×10⁹ Н·м²/Кл²
• F ∝ q₁q₂ (добуток зарядів)
• F ∝ 1/r² (закон обернених квадратів)
• Пояснює атомну структуру, зв'язки

Кожен пристрій, що працює від батареї, має характеристику ємності. Смартфони: 2500-5000 мАг. Ноутбуки: 40-100 Вт·год. Павербанки: 10,000-30,000 мАг.

• iPhone 15: ~3,349 мАг при 3.85В ≈ 13 Вт·год
• MacBook Pro: ~100 Вт·год (ліміт для авіаперельотів)
• AirPods: ~500 мАг (разом)
• Павербанк: 20,000 мАг при 3.7В ≈ 74 Вт·год

Батареї електромобілів оцінюються в кВт·год (енергія), але ємність вимірюється в кАг при напрузі акумуляторного блоку. Tesla Model 3: 75 кВт·год при 350В = 214 Аг. Величезний у порівнянні з телефонами!

• Tesla Model 3: 75 кВт·год (214 Аг при 350В)
• Nissan Leaf: 40 кВт·год (114 Аг при 350В)
• Зарядка електромобілів: 50-350 кВт швидка зарядка постійним струмом
• Домашня зарядка: ~7 кВт (32А при 220В)

Електропокриття, електроліз, банки конденсаторів, системи ДБЖ — все це пов'язано з передачею великих зарядів. Промислові ДБЖ: ємність понад 100 кАг. Суперконденсатори: фарадах (Кл/В).

• Електропокриття: процеси на 10-1000 Аг
• Промислові ДБЖ: резерв понад 100 кАг
• Суперконденсатор: 3000 Ф = 3000 Кл/В
• Удар блискавки: типово ~15 Кл

Помножте мАг на 3.6, щоб отримати кулони. 1000 мАг = 3600 Кл.

• 1 мАг = 3.6 Кл (точно)
• 1 Аг = 3600 Кл
• Швидко: мАг × 3.6 → Кл
• Приклад: 3000 мАг = 10,800 Кл

Розділіть мАг на ~270, щоб отримати Вт·год при напрузі Li-ion 3.7В.

• Вт·год = мАг × В ÷ 1000
• При 3.7В: Вт·год ≈ мАг ÷ 270
• 3000 мАг при 3.7В = 11.1 Вт·год
• Напруга важлива для енергії!

Час роботи (год) = Батарея (мАг) ÷ Струм (мА). 3000 мАг при 300 мА = 10 годин.

• Час роботи = Ємність ÷ Струм
• 3000 мАг ÷ 300 мА = 10 год
• Вищий струм = коротший час роботи
• Втрати ефективності: очікуйте 80-90%

Батарея 3500 мАг. Додаток споживає 350 мА. Скільки часу до розрядки?

Час роботи = Ємність ÷ Струм = 3500 ÷ 350 = 10 годин (ідеально). Реально: ~8-9 год (втрати ефективності).

Павербанк 20,000 мАг. Заряджати телефон 3,000 мАг. Скільки повних зарядок?

Врахуйте ефективність (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 ефективних. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 зарядки.

Осадити 1 моль міді (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Скільки кулонів?

2 молі e⁻ на моль Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 Кл ≈ 53.6 Аг.

Ваше тіло має ~10²⁸ протонів і стільки ж електронів. Якби ви втратили 0.01% електронів, ви б відчули силу відштовхування 10⁹ ньютонів — достатньо, щоб зруйнувати будівлі!

Удар блискавки: лише ~15 Кл заряду, але 1 мільярд вольт! Енергія = Q×V, отже 15 Кл × 10⁹ В = 15 ГДж. Це 4.2 МВт·год — могло б живити ваш будинок місяцями!

Класична наукова демонстрація накопичує заряд до мільйонів вольт. Загальний заряд? Лише ~10 мкКл. Шокує, але безпечно — низький струм. Напруга ≠ небезпека, вбиває струм.

Автомобільний акумулятор: 60 Аг = 216,000 Кл, розряджається годинами. Суперконденсатор: 3000 Ф = 3000 Кл/В, розряджається за секунди. Густина енергії проти густини потужності.

1909: Міллікен виміряв елементарний заряд, спостерігаючи за падінням заряджених крапель олії. Він знайшов e = 1.592×10⁻¹⁹ Кл (сучасне: 1.602). Отримав Нобелівську премію 1923 року.

Квантування заряду електрона настільки точне, що його використовують для визначення стандарту опору. Точність: 1 частина на 10⁹. Фундаментальні константи визначають усі одиниці з 2019 року.

мАг вимірює заряд (кількість електронів). Вт·год вимірює енергію (заряд × напруга). Однаковий мАг при різних напругах = різна енергія. Використовуйте Вт·год для порівняння батарей при різних напругах. Вт·год = мАг × В ÷ 1000.

Номінальна ємність — це не корисна ємність. Li-ion: розряджається з 4.2В (повна) до 3.0В (порожня), але зупинка на 20% зберігає термін служби. Втрати при перетворенні, тепло та старіння зменшують ефективну ємність. Очікуйте 80-90% від номінальної.

Це не просто співвідношення ємностей. Павербанк 20,000 мАг: ефективність ~70-80% (перетворення напруги, тепло). Ефективна ємність: 16,000 мАг. Для телефону 3,000 мАг: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 зарядок. У реальному житті: 4-5.

Елементарний заряд (e = 1.602×10⁻¹⁹ Кл) — це заряд одного протона або електрона. Весь заряд квантується в кратних одиницях e. Фундаментальний для квантової механіки, визначає сталу тонкої структури. З 2019 року e є точною за визначенням.

Так! Негативний заряд означає надлишок електронів, позитивний — дефіцит. Загальний заряд є алгебраїчним (може компенсуватися). Електрони: -e. Протони: +e. Об'єкти: зазвичай майже нейтральні (однакова кількість + та -). Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються.

Li-ion: хімічні реакції повільно руйнують матеріали електродів. Кожен цикл зарядки викликає невеликі незворотні зміни. Глибокий розряд (<20%), висока температура, швидка зарядка прискорюють старіння. Сучасні батареї: 500-1000 циклів до 80% ємності.