Điện tích là thuộc tính vật lý khiến các hạt chịu tác dụng của lực điện từ. Có loại dương và âm. Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, các điện tích trái dấu hút nhau. Nền tảng cho mọi ngành hóa học và điện tử.

• 1 coulomb = 6.24×10¹⁸ electron
• Proton: +1e, Electron: -1e
• Điện tích được bảo toàn (không bao giờ được tạo ra hay phá hủy)
• Được lượng tử hóa theo bội số của e = 1.602×10⁻¹⁹ C

Dòng điện (I) là tốc độ dòng chảy của điện tích. Q = I × t. 1 ampe = 1 coulomb mỗi giây. Dung lượng pin tính bằng Ah là điện tích, không phải dòng điện. 1 Ah = 3600 C.

• Dòng điện = điện tích trên thời gian (I = Q/t)
• 1 A = 1 C/s (định nghĩa)
• 1 Ah = 3600 C (1 ampe trong 1 giờ)
• mAh là dung lượng điện tích, không phải công suất

Pin lưu trữ điện tích. Được đánh giá bằng Ah hoặc mAh (điện tích) hoặc Wh (năng lượng). Wh = Ah × Điện áp. Pin điện thoại: 3000 mAh @ 3.7V ≈ 11 Wh. Điện áp quan trọng đối với năng lượng, không phải điện tích.

• mAh = milliampere-giờ (điện tích)
• Wh = watt-giờ (năng lượng = điện tích × điện áp)
• mAh cao hơn = thời gian chạy lâu hơn (cùng điện áp)
• 3000 mAh ≈ 10,800 coulomb

Trước khi hiểu về điện tích một cách định lượng, các nhà khoa học đã khám phá tĩnh điện và 'chất lỏng điện' bí ẩn. Việc phát minh ra pin đã cho phép đo lường chính xác dòng điện tích liên tục.

• 1600: William Gilbert phân biệt điện với từ, đặt ra thuật ngữ 'electric'
• 1733: Charles du Fay phát hiện hai loại điện (dương và âm)
• 1745: Chai Leyden được phát minh — tụ điện đầu tiên, lưu trữ điện tích có thể đo được
• 1785: Coulomb công bố định luật bình phương nghịch đảo F = k(q₁q₂/r²) cho lực điện
• 1800: Volta phát minh ra pin — cho phép dòng điện tích liên tục, có thể đo được
• 1833: Faraday phát hiện các định luật điện phân — liên kết điện tích với hóa học (hằng số Faraday)

Coulomb đã phát triển từ các định nghĩa thực tế dựa trên các tiêu chuẩn điện hóa đến định nghĩa hiện đại gắn liền với ampe và giây.

• 1881: Coulomb thực tế đầu tiên được định nghĩa qua tiêu chuẩn mạ bạc
• 1893: Hội chợ Thế giới Chicago tiêu chuẩn hóa coulomb để sử dụng quốc tế
• 1948: CGPM định nghĩa coulomb là 1 ampe-giây (1 C = 1 A·s)
• 1960-2018: Ampe được định nghĩa bằng lực giữa các dây dẫn song song, làm cho coulomb trở nên gián tiếp
• Vấn đề: Định nghĩa của Ampe dựa trên lực rất khó thực hiện với độ chính xác cao
• Thập niên 1990-2010: Đo lường lượng tử (hiệu ứng Josephson, hiệu ứng Hall lượng tử) cho phép đếm electron

Vào ngày 20 tháng 5 năm 2019, điện tích cơ bản đã được cố định một cách chính xác, định nghĩa lại ampe và làm cho coulomb có thể tái tạo từ các hằng số cơ bản.

• Định nghĩa mới: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C một cách chính xác (độ không chắc chắn bằng không theo định nghĩa)
• Điện tích cơ bản giờ là một hằng số được định nghĩa, không phải là một giá trị đo được
• 1 coulomb = 6.241509074 × 10¹⁸ điện tích cơ bản (chính xác)
• Các thiết bị đường hầm đơn điện tử có thể đếm từng electron một để có các tiêu chuẩn điện tích chính xác
• Tam giác đo lường lượng tử: điện áp (Josephson), điện trở (Hall lượng tử), dòng điện (bơm electron)
• Kết quả: Bất kỳ phòng thí nghiệm nào có thiết bị lượng tử đều có thể thực hiện coulomb một cách độc lập

Việc định nghĩa lại năm 2019 đại diện cho hơn 135 năm tiến bộ từ các tiêu chuẩn điện hóa đến độ chính xác lượng tử, cho phép các thiết bị điện tử và lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo.

• Công nghệ pin: Đo lường dung lượng chính xác hơn cho xe điện, lưu trữ lưới điện
• Máy tính lượng tử: Kiểm soát điện tích chính xác trong các qubit và transistor đơn điện tử
• Đo lường học: Các phòng thí nghiệm quốc gia có thể độc lập thực hiện coulomb mà không cần các mẫu chuẩn tham chiếu
• Hóa học: Hằng số Faraday giờ đây chính xác, cải thiện các tính toán điện hóa
• Điện tử tiêu dùng: Các tiêu chuẩn tốt hơn cho các thông số dung lượng pin và các giao thức sạc nhanh

• Mẹo nhanh mAh sang C: Nhân với 3.6 → 1000 mAh = 3600 C chính xác
• Ah sang C: Nhân với 3600 → 1 Ah = 3600 C (1 ampe trong 1 giờ)
• Nhanh mAh sang Wh (3.7V): Chia cho ~270 → 3000 mAh ≈ 11 Wh
• Wh sang mAh (3.7V): Nhân với ~270 → 11 Wh ≈ 2970 mAh
• Điện tích cơ bản: e ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (làm tròn từ 1.602)
• Hằng số Faraday: F ≈ 96,500 C/mol (làm tròn từ 96,485)

Hiểu các thông số pin giúp tránh nhầm lẫn giữa điện tích (mAh), điện áp (V) và năng lượng (Wh). Những quy tắc này giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

• mAh đo ĐIỆN TÍCH, không phải công suất hay năng lượng — đó là số lượng electron bạn có thể di chuyển
• Để có năng lượng: Wh = mAh × V ÷ 1000 (điện áp rất quan trọng!)
• Cùng mAh ở các điện áp khác nhau = năng lượng khác nhau (12V 1000mAh ≠ 3.7V 1000mAh)
• Sạc dự phòng: Mong đợi dung lượng sử dụng được 70-80% (tổn thất do chuyển đổi điện áp)
• Thời gian chạy = Dung lượng ÷ Dòng điện: 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 giờ (lý tưởng, thêm 20% dự phòng)
• Li-ion điển hình: 3.7V danh định, 4.2V đầy, 3.0V cạn (phạm vi sử dụng được ~80%)

• Điện tích từ dòng điện: Q = I × t (coulomb = ampe × giây)
• Thời gian chạy: t = Q / I (giờ = ampe-giờ / ampe)
• Năng lượng từ điện tích: E = Q × V (watt-giờ = ampe-giờ × volt)
• Điều chỉnh hiệu suất: Sử dụng được = Định mức × 0.8 (tính đến tổn thất)
• Điện phân: Q = n × F (coulomb = mol electron × hằng số Faraday)
• Năng lượng tụ điện: E = ½CV² (joule = ½ farad × volt²)

• Nhầm lẫn mAh với mWh — điện tích so với năng lượng (cần điện áp để chuyển đổi!)
• Bỏ qua điện áp khi so sánh pin — sử dụng Wh để so sánh năng lượng
• Mong đợi hiệu suất sạc dự phòng 100% — 20-30% bị mất do nhiệt và chuyển đổi điện áp
• Nhầm lẫn C (coulomb) với C (tốc độ xả) — ý nghĩa hoàn toàn khác nhau!
• Giả định mAh = thời gian chạy — cần biết dòng tiêu thụ (thời gian chạy = mAh ÷ mA)
• Xả sâu pin Li-ion dưới 20% — rút ngắn tuổi thọ, dung lượng định mức ≠ dung lượng sử dụng được

Coulomb (C) là đơn vị cơ bản của SI cho điện tích. Được định nghĩa từ ampe và giây: 1 C = 1 A·s. Các tiền tố từ pico đến kilo bao gồm tất cả các phạm vi thực tế.

• 1 C = 1 A·s (định nghĩa chính xác)
• mC, µC, nC cho các điện tích nhỏ
• pC, fC, aC cho công việc lượng tử/chính xác
• kC cho các hệ thống công nghiệp lớn

Ampe-giờ (Ah) và milliampere-giờ (mAh) là tiêu chuẩn cho pin. Chúng thực tế vì liên quan trực tiếp đến dòng tiêu thụ và thời gian chạy. 1 Ah = 3600 C.

• mAh — điện thoại thông minh, máy tính bảng, tai nghe
• Ah — máy tính xách tay, dụng cụ điện, pin ô tô
• kAh — xe điện, UPS công nghiệp
• Wh — dung lượng năng lượng (phụ thuộc vào điện áp)

Điện tích cơ bản (e) là đơn vị cơ bản trong vật lý. Hằng số Faraday trong hóa học. Các đơn vị CGS (statcoulomb, abcoulomb) trong các sách giáo khoa cũ.

• e = 1.602×10⁻¹⁹ C (điện tích cơ bản)
• F = 96,485 C (hằng số Faraday)
• 1 statC ≈ 3.34×10⁻¹⁰ C (ESU)
• 1 abC = 10 C (EMU)

Tất cả điện tích đều được lượng tử hóa theo bội số của điện tích cơ bản e. Bạn không thể có 1.5 electron. Các quark có điện tích phân số (⅓e, ⅔e) nhưng không bao giờ tồn tại một mình.

• Điện tích tự do nhỏ nhất: 1e = 1.602×10⁻¹⁹ C
• Electron: -1e, Proton: +1e
• Tất cả các vật đều có điện tích N×e (N là số nguyên)
• Thí nghiệm giọt dầu của Millikan đã chứng minh sự lượng tử hóa (1909)

1 mol electron mang 96,485 C điện tích. Được gọi là hằng số Faraday (F). Nền tảng cho điện hóa và hóa học pin.

• F = 96,485.33212 C/mol (CODATA 2018)
• 1 mol e⁻ = 6.022×10²³ electron
• Được sử dụng trong các tính toán điện phân
• Liên kết điện tích với các phản ứng hóa học

Lực giữa các điện tích: F = k(q₁q₂/r²). Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau. Lực cơ bản của tự nhiên. Giải thích toàn bộ hóa học và điện tử.

• k = 8.99×10⁹ N·m²/C²
• F ∝ q₁q₂ (tích của các điện tích)
• F ∝ 1/r² (định luật bình phương nghịch đảo)
• Giải thích cấu trúc nguyên tử, liên kết

Mọi thiết bị dùng pin đều có thông số dung lượng. Điện thoại thông minh: 2500-5000 mAh. Máy tính xách tay: 40-100 Wh. Sạc dự phòng: 10,000-30,000 mAh.

• iPhone 15: ~3,349 mAh @ 3.85V ≈ 13 Wh
• MacBook Pro: ~100 Wh (giới hạn hàng không)
• AirPods: ~500 mAh (kết hợp)
• Sạc dự phòng: 20,000 mAh @ 3.7V ≈ 74 Wh

Pin xe điện được đánh giá bằng kWh (năng lượng), nhưng dung lượng là kAh ở điện áp của bộ pin. Tesla Model 3: 75 kWh @ 350V = 214 Ah. Rất lớn so với điện thoại!

• Tesla Model 3: 75 kWh (214 Ah @ 350V)
• Nissan Leaf: 40 kWh (114 Ah @ 350V)
• Sạc xe điện: 50-350 kW DC sạc nhanh
• Sạc tại nhà: ~7 kW (32A @ 220V)

Mạ điện, điện phân, các dãy tụ điện, hệ thống UPS đều liên quan đến việc truyền tải điện tích lớn. UPS công nghiệp: dung lượng hơn 100 kAh. Siêu tụ điện: farad (C/V).

• Mạ điện: các quy trình 10-1000 Ah
• UPS công nghiệp: dự phòng hơn 100 kAh
• Siêu tụ điện: 3000 F = 3000 C/V
• Tia sét: ~15 C điển hình

Nhân mAh với 3.6 để được coulomb. 1000 mAh = 3600 C.

• 1 mAh = 3.6 C (chính xác)
• 1 Ah = 3600 C
• Nhanh: mAh × 3.6 → C
• Ví dụ: 3000 mAh = 10,800 C

Chia mAh cho ~270 để được Wh ở điện áp Li-ion 3.7V.

• Wh = mAh × V ÷ 1000
• Ở 3.7V: Wh ≈ mAh ÷ 270
• 3000 mAh @ 3.7V = 11.1 Wh
• Điện áp quan trọng đối với năng lượng!

Thời gian chạy (h) = Pin (mAh) ÷ Dòng điện (mA). 3000 mAh ở 300 mA = 10 giờ.

• Thời gian chạy = Dung lượng ÷ Dòng điện
• 3000 mAh ÷ 300 mA = 10 h
• Dòng điện cao hơn = thời gian chạy ngắn hơn
• Tổn thất hiệu suất: mong đợi 80-90%

Pin 3500 mAh. Ứng dụng sử dụng 350 mA. Mất bao lâu thì hết pin?

Thời gian chạy = Dung lượng ÷ Dòng điện = 3500 ÷ 350 = 10 giờ (lý tưởng). Thực tế: ~8-9 giờ (tổn thất hiệu suất).

Sạc dự phòng 20,000 mAh. Sạc điện thoại 3,000 mAh. Sạc được bao nhiêu lần đầy?

Tính đến hiệu suất (~80%): 20,000 × 0.8 = 16,000 hiệu dụng. 16,000 ÷ 3,000 = 5.3 lần sạc.

Lắng đọng 1 mol đồng (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). Cần bao nhiêu coulomb?

Cần 2 mol e⁻ cho mỗi mol Cu. 2 × F = 2 × 96,485 = 192,970 C ≈ 53.6 Ah.

Cơ thể bạn có ~10²⁸ proton và một lượng electron tương đương. Nếu bạn mất 0.01% electron, bạn sẽ cảm thấy một lực đẩy 10⁹ newton—đủ để phá hủy các tòa nhà!

Một tia sét: chỉ có ~15 C điện tích, nhưng 1 tỷ volt! Năng lượng = Q×V, vậy 15 C × 10⁹ V = 15 GJ. Đó là 4.2 MWh—có thể cung cấp năng lượng cho nhà bạn trong nhiều tháng!

Màn trình diễn khoa học cổ điển tạo ra điện tích lên đến hàng triệu volt. Tổng điện tích? Chỉ ~10 µC. Gây sốc nhưng an toàn—dòng điện thấp. Điện áp ≠ nguy hiểm, dòng điện mới gây chết người.

Pin ô tô: 60 Ah = 216,000 C, giải phóng trong nhiều giờ. Siêu tụ điện: 3000 F = 3000 C/V, giải phóng trong vài giây. Mật độ năng lượng so với mật độ công suất.

1909: Millikan đã đo điện tích cơ bản bằng cách quan sát các giọt dầu tích điện rơi xuống. Ông tìm thấy e = 1.592×10⁻¹⁹ C (hiện đại: 1.602). Giành giải Nobel năm 1923.

Sự lượng tử hóa điện tích của electron chính xác đến mức nó được dùng để định nghĩa tiêu chuẩn điện trở. Độ chính xác: 1 phần trong 10⁹. Các hằng số cơ bản định nghĩa tất cả các đơn vị từ năm 2019.

mAh đo điện tích (bao nhiêu electron). Wh đo năng lượng (điện tích × điện áp). Cùng mAh ở các điện áp khác nhau = năng lượng khác nhau. Sử dụng Wh để so sánh pin ở các điện áp khác nhau. Wh = mAh × V ÷ 1000.

Dung lượng định mức là danh nghĩa, không phải dung lượng sử dụng được. Pin Li-ion: xả từ 4.2V (đầy) đến 3.0V (cạn), nhưng dừng ở 20% sẽ bảo vệ tuổi thọ. Tổn thất chuyển đổi, nhiệt và lão hóa làm giảm dung lượng hiệu dụng. Mong đợi 80-90% so với định mức.

Không đơn giản là tỷ lệ dung lượng. Sạc dự phòng 20,000 mAh: hiệu suất ~70-80% (chuyển đổi điện áp, nhiệt). Dung lượng hiệu dụng: 16,000 mAh. Đối với điện thoại 3,000 mAh: 16,000 ÷ 3,000 ≈ 5 lần sạc. Thực tế: 4-5 lần.

Điện tích cơ bản (e = 1.602×10⁻¹⁹ C) là điện tích của một proton hoặc electron. Tất cả điện tích đều được lượng tử hóa theo bội số của e. Nền tảng cho cơ học lượng tử, định nghĩa hằng số cấu trúc tinh tế. Từ năm 2019, e là chính xác theo định nghĩa.

Có! Điện tích âm có nghĩa là thừa electron, điện tích dương có nghĩa là thiếu electron. Tổng điện tích là đại số (có thể triệt tiêu). Electron: -e. Proton: +e. Các vật thể: thường gần như trung hòa (số lượng + và - bằng nhau). Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau.

Pin Li-ion: các phản ứng hóa học từ từ làm suy giảm vật liệu điện cực. Mỗi chu kỳ sạc gây ra những thay đổi nhỏ không thể đảo ngược. Xả sâu (<20%), nhiệt độ cao, sạc nhanh làm tăng tốc độ lão hóa. Pin hiện đại: 500-1000 chu kỳ đến 80% dung lượng.