元电荷

元电荷（elementary charge）记作 $e$，是质子所带电荷的正值；电子的电荷是 $-e$。它在现行 SI 中的定义值为 $$e=1.602176634\times 10^{-19}\mathrm{C}.$$ 库仑 $\mathrm{C}$ 是电荷单位。带电粒子和物体的净电荷既有大小，也有正负号，不能把电子电荷 $-e$ 与正数 $e$ 混为一谈。

从电流数电子

电流是单位时间内通过截面的净电荷：$I=\Delta Q/\Delta t$。若一段导线中电流大小为 $1\mu \mathrm{A}=10^{-6}\mathrm{A}$，持续 $1\mathrm{s}$，则通过截面的电荷量大小为 $10^{-6}\mathrm{C}$。若全由电子携带，数量约为 $$N=\frac{10^{-6}\mathrm{C}}{1.602176634\times 10^{-19}\mathrm{C}}\approx 6.24\times 10^{12}.$$ 这里算的是通过某截面的电子数，不是导线中“总共只有”这么多电子。真实金属内的电子早已存在；电流描述的是它们的定向迁移。

同一数量关系可用于电容器。理想电容满足 $Q=CU$；若 $C=1\mathrm{p}\mathrm{F}=10^{-12}\mathrm{F}$，两端电压 $U=1\mathrm{V}$，则一侧电极相对另一侧的电荷量大小为 $Q=10^{-12}\mathrm{C}$，相当于约 $6.24\times 10^6$ 个元电荷。这个数目比一微安电流持续一秒通过截面的粒子数小得多，因为前者是储存的电荷，后者是持续流过的总量。电容器两极分别带相反符号的电荷，整个器件并未凭空获得净电荷。

电荷离散与电子伏特

宏观电荷可由大量粒子的电荷相加。单个电子和质子的电荷分别为 $-e$ 与 $+e$，因此在这些粒子构成的例子中，净电荷是 $e$ 的整数倍。夸克有分数电荷，但不能把孤立夸克当成普通导线里的自由载流子；“所有已知带电粒子都只带整数个 $e$”是不正确的说法。

电压 $U$ 与电荷 $q$ 对应的电势能变化大小为 $|qU|$。一个基本电荷经过 $1\mathrm{V}$ 的电势差，能量大小定义为 $1\mathrm{e}\mathrm{V}$，于是 $$1\mathrm{e}\mathrm{V}=e\times 1\mathrm{V}=1.602176634\times 10^{-19}\mathrm{J}.$$ 这给普朗克常数词条中光子能量的焦耳—电子伏特换算提供了依据。电子实际获得还是失去电势能，须连同电荷符号和移动方向判断。

符号很容易造成误读：$e$ 在这里是正的电荷量大小，$\mathrm{e}\mathrm{V}$ 是能量单位，数学常数 $\mathrm{e}\approx 2.71828$ 则是自然对数的底。三者在英文排版里字母相近，所指的物理量和单位完全不同；代入公式前先检查式子的两边是不是同一量纲。

精确值从何而来

SI 通过固定 $e$ 的数值定义安培；因此它的库仑数值不再需要另附测量不确定度。电流计的读数仍要校准，也会有误差。元电荷是自然界电磁现象中的量，电子伏特则是从它和电压单位构造出的能量单位。

参考资料

• NIST，elementary charge，2022 CODATA 数据页。
• NIST SP 959，电子伏特换算。
• BIPM，安培的 SI 定义。
• 相关：基本物理常数、普朗克常数、精细结构常数。