Κουλόμπ
Παράγωγη μονάδα SI · μέγεθος: ηλεκτρικό φορτίο
01 · Ορισμός
Ο Κουλόμπ κρέμασε ένα φορτισμένο σφαιρίδιο από λεπτό νήμα και μέτρησε τη δύναμη άπωσης από τη γωνία στρέψης. Έτσι βρέθηκε ο νόμος που κρατά μαζί ολόκληρη την ηλεκτροστατική.
Ένα κουλόμπ είναι το φορτίο που περνά από ένα σύρμα σε ένα δευτερόλεπτο με ρεύμα ενός αμπέρ. Για τον στατικό ηλεκτρισμό είναι παρα πολύ και για το δίκτυο ελάχιστο: ο κεραυνός μεταφέρει δεκάδες κουλόμπ, ενώ η εκφόρτιση από ένα συνθετικό πουλόβερ είναι μικροκουλόμπ. Η μπαταρία ενός κινητού αποθηκεύει γύρω στις έντεκα χιλιάδες κουλόμπ, αν και συνηθίζεται να μετριούνται σε μιλιαμπερώρες. Από το 2019 η αλυσίδα αντιστράφηκε: το στοιχειώδες φορτίο καθορίστηκε με ακριβή αριθμό, και το κουλόμπ είναι πλέον ακριβώς 6 241 509 074 460 762 607,776 στοιχειώδη φορτία.
Μια χτένα φορτισμένη στα μαλλιά κουβαλά τάξη μεγέθους ένα δέκατο του μικροκουλόμπ· ένας άνθρωπος που πέρασε πάνω από χαλί, περίπου ένα μικροκουλόμπ, και αυτό αρκεί για σπίθα ενός εκατοστού. Το φορτίο ενός σύννεφου καταιγίδας φτάνει τις λίγες δεκάδες κουλόμπ, και μία μόνο εκφόρτιση κεραυνού μεταφέρει από πέντε ως τριάντα. Ό,τι δείχνει ένα ηλεκτροσκόπιο βρίσκεται στα δισεκατομμυριοστά της μονάδας: η δύναμη ανάμεσα στα φορτία πέφτει με το τετράγωνο της απόστασης και μεγαλώνει τόσο γρήγορα, ώστε τα σώματα απωθούνται πολύ πριν προλάβει να μαζευτεί οτιδήποτε αξιόλογο.
02 · Μετατροπή
Δώστε ένα φορτίο — το δελτίο θα το αναλύσει σε όλες τις μονάδες
Η αμπερώρα είναι το ίδιο φορτίο, μόνο με την ώρα στη θέση του δευτερολέπτου: ο συντελεστής είναι ακριβώς 3600. Το φαραντέι είναι το φορτίο ενός mol ηλεκτρονίων, η μονάδα της ηλεκτροχημείας.
Το φαραντέι δένει τον ηλεκτρισμό με τη χημεία: για να αποτεθεί σε ηλεκτρόδιο ένα mol μονοσθενούς ουσίας πρέπει να περάσουν 96 485 κουλόμπ. Από εκεί η σταθερά Φαραντέι προκύπτει πολλαπλασιάζοντας το φορτίο του ηλεκτρονίου με τον αριθμό Αβογκάντρο, και από το 2019 και οι δύο παράγοντες είναι ακριβείς — άρα είναι και αυτή. Πάνω σε αυτόν τον νόμο στέκεται όλη η γαλβανική επιμετάλλωση: το πάχος της επίστρωσης υπολογίζεται από το φορτίο που πέρασε, όχι από τον χρόνο ή την τάση.
| Μονάδα | Όνομα | Τιμή | Πού απαντάται |
|---|---|---|---|
| C | κουλόμπ, μονάδα SI | 1 | φυσική, ηλεκτροτεχνία |
| mC | μιλικουλόμπ | 1000 | φλας, απινιδωτές |
| µC | μικροκουλόμπ | 1000000 | στατικός ηλεκτρισμός |
| nC | νανοκουλόμπ | 1·10⁹ | ηλεκτροστατική, κόκκοι σκόνης |
| A·h | αμπερώρα | 2,778·10⁻⁴ | συσσωρευτές, μπαταρίες |
| mA·h | μιλιαμπερώρα | 0,2778 | τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές |
| statC | φραγκλίνο, σύστημα CGS-ηλεκτροστατικό | 2,998·10⁹ | παλαιότερη θεωρητική φυσική |
| abC | αμπκουλόμπ, σύστημα CGS-ηλεκτρομαγνητικό | 0,1 | ηλεκτρομαγνητικό CGS |
| φαραντέι | φορτίο ενός mol ηλεκτρονίων | 1,036·10⁻⁵ | ηλεκτροχημεία, γαλβανική επιμετάλλωση |
| e | στοιχειώδες φορτίο | 6,242·10¹⁸ | ατομική και πυρηνική φυσική |
| A·h | αμπερώρα | 2,778·10⁻⁴ | ενεργειακή τεχνολογία, συσσωρευτές |
| C | κουλόμπ | 1 | η αφετηριακή μονάδα αυτού του δελτίου |
Η αμπερώρα είναι το ίδιο φορτίο, μόνο με την ώρα στη θέση του δευτερολέπτου: ο συντελεστής είναι ακριβώς 3600. Το φαραντέι είναι το φορτίο ενός mol ηλεκτρονίων, η μονάδα της ηλεκτροχημείας.
03 · Τάξεις μεγέθους
από το ηλεκτρόνιο ως το σύννεφο της καταιγίδαςΈνα κουλόμπ: ένα αμπέρ για ένα δευτερόλεπτο
04 · Όργανα μέτρησης
Με τι μετριέται το φορτίο
Δύο χρυσά φύλλα ανοίγουν τόσο περισσότερο όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο στην κοινή τους ράβδο. Το όργανο δείχνει το δυναμικό, και το φορτίο προκύπτει πολλαπλασιάζοντας με γνωστή χωρητικότητα. Πιάνει κλάσματα πικοκουλόμπ και δεν τραβά ρεύμα — γι’ αυτό ζει από τον δέκατο όγδοο αιώνα.
Ηλεκτρολυτικό στοιχείο όπου το φορτίο που πέρασε γίνεται μάζα εναποτεθειμένου μετάλλου. Το ηλεκτρόδιο ζυγίζεται πριν και μετά, και ο νόμος του Φαραντέι δίνει το φορτίο. Αργό, μα απόλυτο: το αποτέλεσμα δεν εξαρτάται από κανένα ηλεκτρικό πρότυπο.
Το όργανο του ίδιου του Κουλόμπ: ένα φορτισμένο σφαιρίδιο στην άκρη ζυγού απωθείται από ένα σταθερό, το νήμα στρέφεται, και η γωνία περιστροφής δίνει τη δύναμη. Έτσι το 1785 θεμελιώθηκε ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου — με μέτρηση, όχι με εικασία.
Ένα ολοκληρωμένο μέσα στη μπαταρία μετρά αδιάκοπα το ρεύμα σε μια αντίσταση παράκαμψης και το αθροίζει στον χρόνο, βρίσκοντας το φορτίο που ξοδεύτηκε. Αυτό ακριβώς το μέγεθος, και όχι η τάση, δείχνει το ποσοστό μπαταρίας στο τηλέφωνο — με ένα σφάλμα, βέβαια, που συσσωρεύεται και μηδενίζεται στην πλήρη φόρτιση.
05 · Κανόνες γραφής
Κεφαλαίο C — αλλά όχι βαθμός Κελσίου
Το ίδιο σύμβολο είναι πιασμένο δύο φορές στο SI: χωρίς το σύμβολο του βαθμού είναι φορτίο, με αυτό θερμοκρασία. Η αμπερώρα δεν είναι μονάδα SI αλλά γίνεται δεκτή στην πράξη· γράφεται με τελεία πολλαπλασιασμού: A·h, όχι Ah ούτε A/h. Το σύμβολο του μεγέθους φορτίο είναι πλάγιο Q, της μονάδας όρθιο C: στο Q = 4,5 C τα πλάγια και τα όρθια ξεχωρίζουν το νόημα. Το ρωσικό σύμβολο είναι Кл. Το φορτίο μπορεί να είναι αρνητικό, και το πρόσημο ανήκει στην τιμή: −1,6·10⁻¹⁹ C στο ηλεκτρόνιο, +1,6·10⁻¹⁹ C στο πρωτόνιο. Τα μέτρα τους συμπίπτουν ακριβώς.
Το σύμβολο του μεγέθους φορτίο είναι πλάγιο Q, της μονάδας όρθιο C: στον τύπο Q = 4,5 C τα πλάγια και τα όρθια κρατούν τη διάκριση. Το ρωσικό σύμβολο είναι Кл. Η αμπερώρα γράφεται με τελεία στο μέσο της γραμμής ή με κενό ανάμεσα στα σύμβολα, ποτέ ενωμένη: A·h, όχι Ah. Ένα μεμονωμένο πεζό c είναι το πρόθεμα εκατοστο- και το σύμβολο της ταχύτητας του φωτός, που δεν έχουν σχέση με το φορτίο.
06 · Γειτονικές μονάδες
Το κουλόμπ στέκει ανάμεσα στο ρεύμα και την τάση: το ρεύμα είναι φορτίο ανά δευτερόλεπτο, η χωρητικότητα φορτίο ανά βολτ. Και οι δύο σχέσεις χωρούν σε μία γραμμή.
Από τα δελτία του Simetrium γειτονεύουν με το κουλόμπ αμπέρ, του οποίου το φορτίο ανά δευτερόλεπτο ακριβώς είναι, φαράντ και βολτ από τον ίδιο τύπο, αμπερώρα ως καθημερινό μέτρο του ίδιου φορτίου, και μολ, μέσω του οποίου το φορτίο συνδέεται με την ποσότητα ύλης.
07 · Ιστορικό μέρος
Ένα φορτίο που έμαθαν να μετρούν πριν το καταλάβουν
Ο Σαρλ Κουλόμπ κρέμασε έναν ζυγό από λεπτό ασημένιο νήμα και μέτρησε τη δύναμη ανάμεσα σε φορτισμένα σφαιρίδια από τη γωνία στρέψης. Η αντίστροφη αναλογία προς το τετράγωνο της απόστασης βγήκε από το πείραμα, αν και εικασίες γι’ αυτήν είχαν διατυπωθεί και νωρίτερα.
Το Διεθνές Συνέδριο Ηλεκτρολόγων μοίρασε ονόματα σε πολλές μονάδες μονομιάς: το βολτ, το αμπέρ, το ωμ, το κουλόμπ και το φαράντ εμφανίστηκαν την ίδια χρονιά. Το φορτίο ορίστηκε μέσω του ρεύματος και όχι το αντίστροφο — το ρεύμα μετριόταν ευκολότερα.
Ο Ρόμπερτ Μίλικαν ισορροπούσε φορτισμένα σταγονίδια λαδιού με ηλεκτρικό πεδίο και βρήκε ότι τα φορτία τους ήταν πολλαπλάσια ενός μόνο μεγέθους. Έτσι αποδείχθηκε ότι το φορτίο είναι διακριτό και βρέθηκε η τιμή του στοιχειώδους — με σφάλμα μισού τοις εκατό, εξαιτίας λανθασμένου ιξώδους του αέρα. Το διεθνές κουλόμπ οριζόταν με αργυρό κουλομπόμετρο: το φορτίο που εναποθέτει 1,118 χιλιοστόγραμμα αργύρου. Από το σημερινό απέκλινε στο πέμπτο ψηφίο.
Το αμπέρ ορίστηκε εκ νέου μέσω σταθερού φορτίου του ηλεκτρονίου, και το κουλόμπ απέκτησε δεύτερο, ακριβές μέτρο: ακέραιο πλήθος στοιχειωδών φορτίων. Ο παλιός ορισμός του αμπέρ μέσω της δύναμης ανάμεσα σε αγωγούς έφυγε μαζί με τη μαγνητική σταθερά, που έπαψε να είναι ακριβής.
Μονάδα χωρίς πρότυπο — και χωρίς ανάγκη γι’ αυτό
Το φορτίο δεν φυλάσσεται: κάθε συσσωρευμένο κουλόμπ διαρρέει μέσα από τη μόνωση, μέσα από τον αέρα και πάνω από την ίδια του την επιφάνεια μέσα σε λίγες ώρες. Γι’ αυτό πρότυπο του κουλόμπ ως αντικείμενο δεν υπάρχει ούτε υπήρξε ποτέ — η μονάδα υλοποιείται μετρώντας το ρεύμα σε ένα χρονικό διάστημα, και από το 2019 και μετρώντας ηλεκτρόνια. Οι αντλίες ενός ηλεκτρονίου περνούν από μια κβαντική τελεία ένα ηλεκτρόνιο ανά κύκλο: ένα δισεκατομμύριο κύκλοι το δευτερόλεπτο δίνουν ρεύμα γύρω στα εκατόν εξήντα πικοαμπέρ, γνωστό με ακρίβεια απρόσιτη για τις κλασικές μεθόδους. Να κλείσουν το τρίγωνο βολτ — αμπέρ — ωμ με κβαντικά φαινόμενα και να βρουν το κουλόμπ από τρίτο ανεξάρτητο δρόμο οι μετρολόγοι δεν τα κατάφεραν ακόμη: οι αποκλίσεις βρίσκονται στο επίπεδο των δισεκατομμυριοστών, και αυτές ακριβώς ορίζουν σήμερα το όριο ακρίβειας των ηλεκτρικών μετρήσεων.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα δελτίο για κάθε μέγεθος
Επτά θεμελιώδεις μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και οι μονάδες εκτός συστήματος χωρίς τις οποίες δεν τα βγάζει πέρα ούτε η τεχνική ούτε η καθημερινότητα. Καθεμιά έχει το φύλλο της: ορισμός, μετατροπή, όργανα, κανόνες γραφής. Σε 30 γλώσσες.
Παράγωγες μονάδες SI με δικό τους όνομα
το δελτίο του κουλόμπ είναι ανοιχτόΘεμελιώδεις μονάδες SI
με τερακότα — το αμπέρ και το δευτερόλεπτο, από τα οποία αποτελείται το κουλόμπΤο φορτίο σε άλλα συστήματα
Γλώσσα του δελτίου
30 γλώσσες. Το σύμβολο C είναι διεθνές, το καθημερινό όμως μέτρο του φορτίου διαφέρει: σε κάποιες χώρες η χωρητικότητα των μπαταριών δίνεται σε μιλιαμπερώρες, σε άλλες σε βατώρες.