کولن
یکای فرعی SI · کمیت: بار الکتریکی
01 · تعریف
کولن گویچهای باردار را به نخی نازک آویخت و نیروی رانش را از زاویهٔ پیچش اندازه گرفت. چنین بود که قانونی یافته شد که همهٔ الکتروستاتیک را کنار هم نگه میدارد.
یک کولن باری است که در جریان یک آمپر، در یک ثانیه از سیم میگذرد. برای الکتریسیتهٔ ساکن این بسیار زیاد است و برای شبکه بسیار اندک: آذرخش دهها کولن جابهجا میکند، حال آنکه تخلیهٔ یک پلیور مصنوعی در حد میکروکولن است. باتری تلفن نزدیک یازده هزار کولن ذخیره میکند، هرچند رسم است آن را به میلیآمپرساعت بشمارند. از 2019 زنجیره وارونه شد: بار بنیادی با عددی دقیق تثبیت شد و کولن اکنون دقیقاً 6 241 509 074 460 762 607.776 بار بنیادی است.
شانهای که با مو باردار شده در حدود یکدهم میکروکولن بار دارد؛ آدمی که از روی فرش گذشته، نزدیک یک میکروکولن، و همین برای جرقهای یکسانتیمتری بس است. بار یک ابر توفانی به چند ده کولن میرسد و یک آذرخش پنج تا سی کولن جابهجا میکند. هرچه برقنما نشان میدهد در حد میلیاردمهای یکاست: نیروی میان بارها با مربع فاصله کم میشود و چنان تند رشد میکند که اجسام مدتها پیش از انباشتن هر مقدار درخور، یکدیگر را پس میزنند.
02 · تبدیل
باری وارد کنید — شناسنامه آن را به همهٔ یکاها میشکافد
آمپرساعت همان بار است، فقط با ساعت بهجای ثانیه: ضریب دقیقاً 3600. فارادی بار یک مول الکترون است، یکای الکتروشیمی.
فارادی برق را به شیمی گره میزند: برای نشاندن یک مول مادهٔ یکظرفیتی روی الکترود باید 96 485 کولن گذراند. از همینجا ثابت فارادی از ضرب بار الکترون در عدد آووگادرو به دست میآید، و از 2019 هر دو عامل دقیقاند — پس خودش نیز دقیق است. همهٔ آبکاری بر این قانون ایستاده است: ضخامت پوشش از بار گذشته حساب میشود، نه از زمان و نه از ولتاژ.
| یکا | نام | مقدار | کجا دیده میشود |
|---|---|---|---|
| C | کولن، یکای SI | 1 | فیزیک، مهندسی برق |
| mC | میلیکولن | 1000 | فلاش، دستگاههای شوک قلبی |
| µC | میکروکولن | 1000000 | الکتریسیتهٔ ساکن |
| nC | نانوکولن | 1·10⁹ | الکتروستاتیک، ذرات غبار |
| A·h | آمپرساعت | 2,778·10⁻⁴ | انبارهها، باتریها |
| mA·h | میلیآمپرساعت | 0,2778 | تلفنها، رایانههای همراه |
| statC | فرانکلین، نظام CGS-ES | 2,998·10⁹ | فیزیک نظری کهنتر |
| abC | اَبکولن، نظام CGS-EM | 0,1 | CGS الکترومغناطیسی |
| فارادی | بار یک مول الکترون | 1,036·10⁻⁵ | الکتروشیمی، آبکاری |
| e | بار بنیادی | 6,242·10¹⁸ | فیزیک اتمی و هستهای |
| A·h | آمپرساعت | 2,778·10⁻⁴ | مهندسی انرژی، انبارهها |
| C | کولن | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
آمپرساعت همان بار است، فقط با ساعت بهجای ثانیه: ضریب دقیقاً 3600. فارادی بار یک مول الکترون است، یکای الکتروشیمی.
03 · مرتبههای بزرگی
از الکترون تا ابر توفانییک کولن: یک آمپر به مدت یک ثانیه
04 · ابزارهای اندازهگیری
بار را با چه میسنجند
دو ورقهٔ زر هرچه بار روی میلهٔ مشترکشان بیشتر باشد، بیشتر از هم میگشایند. دستگاه پتانسیل را نشان میدهد و بار از ضرب آن در ظرفیتی معلوم به دست میآید. کسری از پیکوکولن را میگیرد و جریانی نمیکشد — و به همین سبب از سدهٔ هجدهم زنده مانده است.
یاختهای برقکافتی که در آن بار گذشته به جرم فلز نشسته بدل میشود. الکترود را پیش و پس میسنجند و قانون فارادی بار را میدهد. کند است اما مطلق: نتیجه به هیچ معیار برقی وابسته نیست.
دستگاه خود کولن: گویچهٔ باردار بر سر بازو از گویچهٔ ثابت رانده میشود، نخ میپیچد و زاویهٔ چرخش نیرو را میدهد. قانون عکس مربع در 1785 چنین برقرار شد — با اندازهگیری، نه با گمان.
تراشهای در انباره پیوسته جریان را روی یک شنت میسنجد و بر زمان جمع میبندد و بار مصرفشده را به دست میآورد. همین کمیت است، نه ولتاژ، که درصد باتری را در تلفن نشان میدهد — البته با خطایی که انباشته میشود و در شارژ کامل صفر میگردد.
05 · قواعد نگارش
C بزرگ — اما نه درجهٔ سلسیوس
یک نماد در SI دو بار گرفته شده است: بینشان درجه یعنی بار، با آن یعنی دما. آمپرساعت یکای SI نیست اما در عمل پذیرفته شده؛ باید با نقطهٔ ضرب نوشته شود: A·h، نه Ah و نه A/h. نماد کمیت بار Q ایتالیک است و نماد یکا C ایستاده: در نگارش Q = 4.5 C ایتالیک و ایستاده معنا را جدا میکنند. نماد روسی Кл است. بار میتواند منفی باشد و علامت بخشی از مقدار است: −1.6·10⁻¹⁹ C برای الکترون، +1.6·10⁻¹⁹ C برای پروتون. اندازهٔ آنها دقیقاً یکی است.
نماد کمیت بار Q ایتالیک است و نماد یکا C ایستاده: در فرمول Q = 4.5 C ایتالیک و ایستاده تمایز را میرسانند. نماد روسی Кл است. آمپرساعت با نقطهای در میان سطر یا با فاصله میان نمادها نوشته میشود، هرگز سرِهم: A·h، نه Ah. حرف c کوچک بهتنهایی پیشوند سانتی- و نماد سرعت نور است و ربطی به بار ندارد.
06 · یکاهای همسایه
کولن میان جریان و ولتاژ ایستاده است: جریان بار در ثانیه است و ظرفیت بار بر هر ولت. هر دو رابطه در یک سطر جا میگیرند.
از شناسنامههای Simetrium همسایهٔ کولناند آمپر، که بارِ در ثانیهٔ آن، خودِ همین است، فاراد و ولت از همان فرمول، آمپرساعت بهعنوان مقیاس روزمرهٔ همان بار و مول، که بار از راه آن به مقدار ماده پیوند میخورد.
07 · بخش تاریخی
باری که شمردنش را پیش از فهمیدنش آموختند
شارل کولن بازویی را به نخ نازک نقرهای آویخت و نیروی میان گویچههای باردار را از زاویهٔ پیچش سنجید. تناسب وارون با مربع فاصله از آزمایش بیرون آمد، هرچند گمانهایی دربارهٔ آن پیشتر هم گفته شده بود.
کنگرهٔ بینالمللی برقکاران یکجا به چند یکا نام داد: ولت و آمپر و اهم و کولن و فاراد در یک سال پدید آمدند. بار را از راه جریان تعریف کردند نه وارونه — سنجش جریان آسانتر بود.
رابرت میلیکان قطرههای ریز روغن باردار را با میدان الکتریکی در تعادل نگه میداشت و دریافت که بارشان مضربی از یک مقدار یگانه است. بدینسان گسستگی بار ثابت شد و مقدار بار بنیادی به دست آمد — با نیم درصد خطا به سبب گرانروی نادرست هوا. کولن بینالمللی را با کولنسنج نقرهای تعیین میکردند: باری که 1.118 میلیگرم نقره مینشاند. از امروزی در رقم پنجم فاصله داشت.
آمپر را با بار الکترونِ تثبیتشده از نو تعریف کردند و کولن مقیاس دوم و دقیقی یافت: شماری درست از بارهای بنیادی. تعریف کهنهٔ آمپر بر پایهٔ نیروی میان رساناها همراه با ثابت مغناطیسی رفت، که دیگر دقیق نبود.
یکایی که معیار ندارد و نیازی هم نیست
بار را نگه نمیدارند: هر کولنِ انباشته در چند ساعت از عایق و از هوا و از سطح خودش بیرون میرود. از همین رو معیار کولن در قالب یک شیء وجود ندارد و هرگز نداشته است — یکا را با سنجش جریان در بازهای از زمان بازمیسازند، و از 2019 با شمردن الکترونها نیز. تلمبههای تکالکترونی در هر ضربان یک الکترون از نقطهٔ کوانتومی میگذرانند: میلیارد ضربان در ثانیه جریانی نزدیک صد و شصت پیکوآمپر میدهد، با دقتی که روشهای کلاسیک به آن نمیرسند. بستن مثلث ولت — آمپر — اهم با پدیدههای کوانتومی و گرفتن کولن از راه سومِ مستقل هنوز برای اندازهشناسان میسر نشده است: اختلافها در حد میلیاردم است و همانهاست که امروز مرز دقت اندازهگیریهای برقی را تعیین میکند.
فهرست · یکاهای اندازهگیری
شناسنامهای برای هر کمیت
هفت یکای اصلی SI، بیستودو یکای فرعی با نامهای ویژه و یکاهای بیرون دستگاه که نه فناوری از آنها بینیاز است و نه زندگی روزمره. هر یکا برگ خود را دارد: تعریف، تبدیل، ابزارها، قواعد نگارش. به 30 زبان.
یکاهای فرعی SI با نام ویژه
شناسنامهٔ کولن باز استیکاهای اصلی SI
به رنگ سفالی — آمپر و ثانیه که کولن از آنها ساخته شدهبار در نظامهای دیگر
زبان شناسنامه
30 زبان. نماد C بینالمللی است، اما مقیاس روزمرهٔ بار فرق میکند: در برخی کشورها ظرفیت باتریها را به میلیآمپرساعت مینویسند و در برخی دیگر به واتساعت.