الكولوم
وحدة SI مشتقة · المقدار: الشحنة الكهربائية
01 · التعريف
علّق كولوم كرة مشحونة في خيط رفيع وقاس قوة التنافر من زاوية الالتواء. هكذا وُجد القانون الذي يمسك الكهرباء الساكنة كلها معاً.
الكولوم الواحد هو الشحنة التي تمرّ في السلك خلال ثانية عند تيار مقداره أمبير واحد. هذا كثير جداً للكهرباء الساكنة وقليل جداً للشبكة: البرق ينقل عشرات الكولومات، أما التفريغ من كنزة اصطناعية فميكروكولومات. بطارية الهاتف تخزّن نحو أحد عشر ألف كولوم، وإن جرت العادة أن تُحسب بالمللي أمبير-ساعة. ومنذ 2019 انقلبت السلسلة: الشحنة الأولية مثبَّتة برقم دقيق، والكولوم اليوم بالضبط 6 241 509 074 460 762 607.776 شحنة أولية.
المشط المشحون بالشعر يحمل نحو عُشر الميكروكولوم؛ والإنسان الذي عبر سجادة نحو ميكروكولوم واحد، وهذا يكفي لشرارة بطول سنتيمتر. وشحنة سحابة العاصفة تبلغ بضع عشرات من الكولومات، وضربة برق واحدة تنقل من خمسة إلى ثلاثين. وكل ما يبيّنه الكشاف الكهربائي يقع في أجزاء من مليار من الوحدة: القوة بين الشحنات تتناقص مع مربع المسافة وتنمو بسرعة تجعل الأجسام تتنافر قبل وقت طويل من تراكم أي شيء يُذكر.
02 · التحويل
أدخل شحنة — تفكّكها البطاقة إلى كل الوحدات
الأمبير-ساعة هي الشحنة نفسها، بالساعة بدل الثانية: المعامل 3600 بالضبط. والفاراداي شحنة مول من الإلكترونات، وحدة الكيمياء الكهربائية.
الفاراداي يربط الكهرباء بالكيمياء: لترسيب مول واحد من مادة أحادية التكافؤ على مسرى يلزم تمرير 96 485 كولوماً. ومن هنا يخرج ثابت فاراداي بضرب شحنة الإلكترون في عدد أفوغادرو، ومنذ 2019 صار العاملان دقيقين — إذن هو دقيق أيضاً. وعلى هذا القانون يقوم الطلاء بالكهرباء كله: سماكة الطبقة تُحسب من الشحنة المارّة، لا من الزمن ولا من الجهد.
| الوحدة | الاسم | القيمة | أين تُصادَف |
|---|---|---|---|
| C | كولوم، وحدة SI | 1 | فيزياء، هندسة كهربائية |
| mC | مللي كولوم | 1000 | ومضات التصوير، مزيلات الرجفان |
| µC | ميكروكولوم | 1000000 | كهرباء ساكنة |
| nC | نانوكولوم | 1·10⁹ | كهرباء ساكنة، ذرات غبار |
| A·h | أمبير-ساعة | 2,778·10⁻⁴ | مراكم، بطاريات |
| mA·h | مللي أمبير-ساعة | 0,2778 | هواتف، حواسيب محمولة |
| statC | فرانكلين، نظام CGS-ES | 2,998·10⁹ | الفيزياء النظرية القديمة |
| abC | أبكولوم، نظام CGS-EM | 0,1 | CGS الكهرمغناطيسي |
| فاراداي | شحنة مول من الإلكترونات | 1,036·10⁻⁵ | كيمياء كهربائية، طلاء بالكهرباء |
| e | الشحنة الأولية | 6,242·10¹⁸ | فيزياء الذرة والنواة |
| A·h | أمبير-ساعة | 2,778·10⁻⁴ | هندسة الطاقة، مراكم |
| C | كولوم | 1 | وحدة الانطلاق في هذه البطاقة |
الأمبير-ساعة هي الشحنة نفسها، بالساعة بدل الثانية: المعامل 3600 بالضبط. والفاراداي شحنة مول من الإلكترونات، وحدة الكيمياء الكهربائية.
03 · رتب المقادير
من الإلكترون إلى سحابة العاصفةكولوم واحد: أمبير لمدة ثانية
04 · أجهزة القياس
بم تُقاس الشحنة
تتباعد ورقتا الذهب كلما زادت الشحنة على القضيب المشترك. يبيّن الجهاز الجهد، وتُستخرج الشحنة بضربه في سعة معلومة. يلتقط أجزاء من البيكوكولوم ولا يسحب تياراً — ولهذا بقي حياً منذ القرن الثامن عشر.
خلية تحليل كهربائي تتحوّل فيها الشحنة المارّة إلى كتلة معدن مترسِّب. يُوزن المسرى قبل وبعد، وقانون فاراداي يعطي الشحنة. بطيء لكنه مطلق: لا تتوقف النتيجة على أي معيار كهربائي.
جهاز كولوم نفسه: كرة مشحونة على ذراع تتنافر مع كرة ثابتة، فيلتوي الخيط، وزاوية الدوران تعطي القوة. هكذا تقرّر عام 1785 قانون التربيع العكسي — بالقياس لا بالحدس.
رقاقة داخل المركم تقيس التيار على مجزّئ دون انقطاع وتجمعه على الزمن، فتحصل على الشحنة المستهلكة. هذا المقدار بالذات، لا الجهد، هو ما يعرض نسبة البطارية في الهاتف — مع خطأ يتراكم ويُصفَّر عند الشحن الكامل.
05 · قواعد الكتابة
حرف C كبير — لا درجة مئوية
الرمز نفسه مشغول مرتين في النظام الدولي: بلا علامة الدرجة يعني الشحنة، ومعها الحرارة. والأمبير-ساعة ليست وحدة من النظام الدولي لكنها مقبولة عملياً؛ وتُكتب بنقطة ضرب: A·h، لا Ah ولا A/h. ورمز مقدار الشحنة حرف Q مائل، ورمز الوحدة C قائم: في الكتابة Q = 4.5 C يفصل المائل والقائم بين المعنيين. والرمز الروسي Кл. والشحنة قد تكون سالبة، والإشارة جزء من القيمة: −1.6·10⁻¹⁹ C للإلكترون، +1.6·10⁻¹⁹ C للبروتون. ومقداراهما متطابقان تماماً.
رمز مقدار الشحنة حرف Q مائل، ورمز الوحدة C قائم: في الصيغة Q = 4.5 C يحمل المائل والقائم الفرق. والرمز الروسي Кл. وتُكتب الأمبير-ساعة بنقطة في وسط السطر أو بفراغ بين الرمزين، لا موصولة: A·h لا Ah. أما حرف c الصغير وحده فهو بادئة سنتي- ورمز سرعة الضوء، ولا صلة لهما بالشحنة.
06 · الوحدات المجاورة
الكولوم يقف بين التيار والجهد: التيار شحنة في الثانية، والسعة شحنة لكل فولت. وكلتا العلاقتين تسع سطراً واحداً.
من بطاقات Simetrium تجاور الكولوم أمبير، الذي هو شحنته في الثانية، فاراد و فولت من الصيغة نفسها، أمبير-ساعة بوصفها المقياس اليومي للشحنة نفسها، و مول، الذي تتصل به الشحنة بكمية المادة.
07 · القسم التاريخي
شحنة تعلّم الناس عدّها قبل أن يفهموها
علّق شارل كولوم ذراعاً في خيط فضي رفيع وقاس القوة بين كرتين مشحونتين من زاوية الالتواء. وخرج التناسب العكسي مع مربع المسافة من التجربة، وإن كانت الظنون به قد قيلت من قبل.
وزّع المؤتمر الدولي للكهربائيين أسماء عدة وحدات دفعة واحدة: ظهر الفولت والأمبير والأوم والكولوم والفاراد في العام نفسه. وعُرِّفت الشحنة عبر التيار لا العكس — فقياس التيار كان أيسر.
كان روبرت ميليكان يوازن قطيرات زيت مشحونة بحقل كهربائي فوجد أن شحناتها مضاعفات لمقدار واحد. وبذلك ثبتت تقطّعية الشحنة ووُجدت قيمة الشحنة الأولية — بخطأ نصف في المئة بسبب لزوجة خاطئة للهواء. أما الكولوم الدولي فكان يُحدَّد بمقياس كولوم فضي: الشحنة التي ترسّب 1.118 مليغرام من الفضة. وكان يفارق الحالي في الخانة الخامسة.
أُعيد تعريف الأمبير بشحنة إلكترون مثبَّتة، ونال الكولوم مقياساً ثانياً دقيقاً: عدداً صحيحاً من الشحنات الأولية. ورحل تعريف الأمبير القديم بالقوة بين الموصلات مع الثابت المغناطيسي الذي كفّ عن أن يكون دقيقاً.
وحدة بلا معيار — ولا حاجة إليه
الشحنة لا تُخزَّن: كل كولوم مجموع يتسرّب عبر العازل وعبر الهواء وفوق سطحه في ساعات معدودة. ولهذا لا يوجد للكولوم معيار في هيئة جسم ولم يوجد قط — بل تُحقَّق الوحدة بقياس التيار على فترة زمنية، ومنذ 2019 بعدّ الإلكترونات أيضاً. مضخات الإلكترون الواحد تمرّر عبر نقطة كمية إلكتروناً واحداً في كل نبضة: مليار نبضة في الثانية تعطي تياراً نحو مئة وستين بيكوأمبير، معروفاً بدقة لا تبلغها الطرائق التقليدية. أما إغلاق مثلث الفولت — الأمبير — الأوم بالظواهر الكمية والحصول على الكولوم بطريق ثالث مستقل فلم ينجح فيه علماء القياس بعد: الفروق عند مستوى أجزاء المليار، وهي بالذات ما يحدّ اليوم دقة القياسات الكهربائية.
الدليل · وحدات القياس
بطاقة لكل مقدار
سبع وحدات أساسية في النظام الدولي، واثنتان وعشرون وحدة مشتقة لها أسماء خاصة، ووحدات خارج النظام لا تستغني عنها التقنية ولا الحياة اليومية. لكل وحدة ورقتها: التعريف، التحويل، الأجهزة، قواعد الكتابة. بـ 30 لغة.
وحدات دولية مشتقة لها أسماء خاصة
بطاقة الكولوم مفتوحةالوحدات الأساسية في النظام الدولي
باللون الطيني — الأمبير والثانية اللذان يتألف منهما الكولومالشحنة في أنظمة أخرى
لغة البطاقة
30 لغة. الرمز C دولي، أما المقياس اليومي للشحنة فيختلف: في بعض البلدان تُذكر سعة البطاريات بالمللي أمبير-ساعة، وفي غيرها بالواط-ساعة.