Coulombi
SI-johdannaisyksikkö · suure: sähkövaraus
01 · Määritelmä
Coulomb ripusti varatun kuulan ohueen lankaan ja mittasi hylkimisvoiman kiertymäkulmasta. Näin löytyi laki, joka pitää koko sähköstatiikan koossa.
Yksi coulombi on varaus, joka kulkee johtimen läpi sekunnissa yhden ampeerin virralla. Statiikalle se on hyvin paljon ja verkolle hyvin vähän: salama siirtää kymmeniä coulombeja, kun taas tekokuitupuseron purkaus on mikrocoulombeja. Puhelimen akku varastoi noin yksitoistatuhatta coulombia, vaikka ne on tapana laskea milliampeeritunteina. Vuodesta 2019 ketju on kääntynyt: alkeisvaraus on kiinnitetty tarkaksi luvuksi, ja coulombi on nyt täsmälleen 6 241 509 074 460 762 607,776 alkeisvarausta.
Hiuksia vasten sähköistynyt kampa kantaa suuruusluokaltaan kymmenesosan mikrocoulombia; maton yli kävellyt ihminen noin mikrocoulombin, ja se riittää sentin mittaiseen kipinään. Ukkospilven varaus yltää muutamaan kymmeneen coulombiin, ja yksi salamanisku siirtää niitä viidestä kolmeenkymmeneen. Kaikki mitä sähköskooppi näyttää, on yksikön miljardisosia: varausten välinen voima pienenee etäisyyden neliön mukaan ja kasvaa niin nopeasti, että kappaleet työntävät toisiaan erilleen kauan ennen kuin mitään mainittavaa on ehtinyt kertyä.
02 · Muunnos
Syötä varaus — kortti purkaa sen kaikkiin yksiköihin
Ampeeritunti on sama varaus, vain tunti sekunnin sijaan: kerroin on tasan 3600. Faraday on moolin elektroneja vastaava varaus, sähkökemian yksikkö.
Faraday sitoo sähkön kemiaan: yhden moolin yhdenarvoista ainetta erottamiseen elektrodilla on johdettava 96 485 coulombia. Tästä Faradayn vakio saadaan kertomalla elektronin varaus Avogadron luvulla, ja vuodesta 2019 molemmat tekijät ovat tarkkoja — siis on sekin. Tälle laille lepää koko galvanointi: pinnoitteen paksuus lasketaan kulkeneesta varauksesta, ei ajasta eikä jännitteestä.
| Yksikkö | Nimi | Arvo | Missä esiintyy |
|---|---|---|---|
| C | coulombi, SI-yksikkö | 1 | fysiikka, sähkötekniikka |
| mC | millicoulombi | 1000 | salamavalot, defibrillaattorit |
| µC | mikrocoulombi | 1000000 | staattinen sähkö |
| nC | nanocoulombi | 1·10⁹ | sähköstatiikka, pölyhiukkaset |
| A·h | ampeeritunti | 2,778·10⁻⁴ | akut, paristot |
| mA·h | milliampeeritunti | 0,2778 | puhelimet, kannettavat |
| statC | franklin, CGS-ESU-järjestelmä | 2,998·10⁹ | vanhempi teoreettinen fysiikka |
| abC | abcoulombi, CGS-EMU-järjestelmä | 0,1 | sähkömagneettinen CGS |
| faraday | moolin elektroneja vastaava varaus | 1,036·10⁻⁵ | sähkökemia, galvanointi |
| e | alkeisvaraus | 6,242·10¹⁸ | atomi- ja ydinfysiikka |
| A·h | ampeeritunti | 2,778·10⁻⁴ | energiatekniikka, akut |
| C | coulombi | 1 | tämän kortin lähtöyksikkö |
Ampeeritunti on sama varaus, vain tunti sekunnin sijaan: kerroin on tasan 3600. Faraday on moolin elektroneja vastaava varaus, sähkökemian yksikkö.
03 · Suuruusluokat
elektronista ukkospilveenYksi coulombi: ampeeri sekunnin ajan
04 · Mittalaitteet
Millä varausta mitataan
Kaksi kultalehteä erkanee sitä enemmän, mitä suurempi varaus niiden yhteisellä sauvalla on. Laite näyttää potentiaalin, ja varaus saadaan kertomalla tunnetulla kapasitanssilla. Se nappaa pikocoulombin murto-osia eikä ota virtaa — siksi se on elänyt 1700-luvulta asti.
Elektrolyysikenno, jossa läpi kulkenut varaus muuttuu saostuneen metallin massaksi. Elektrodi punnitaan ennen ja jälkeen, ja Faradayn laki antaa varauksen. Hidas mutta absoluuttinen: tulos ei riipu mistään sähköisestä normaalista.
Coulombin oma laite: varattu kuula vipuvarren päässä hylkii kiinteää kuulaa, lanka kiertyy, ja kiertymäkulma antaa voiman. Näin vuonna 1785 vahvistettiin käänteisen neliön laki — mittaamalla, ei arvaamalla.
Akussa oleva piiri mittaa jatkuvasti virtaa suntin yli ja summaa sen ajan yli, jolloin saadaan kulutettu varaus. Juuri tämä suure, ei jännite, näyttää puhelimen akkuprosentin — tosin virheen kertyessä, ja se nollataan täydessä latauksessa.
05 · Kirjoitussäännöt
Iso C — mutta ei celsiusaste
Sama tunnus on SI:ssä varattu kahdesti: ilman astemerkkiä se on varaus, merkin kanssa lämpötila. Ampeeritunti ei ole SI-yksikkö mutta on käytännössä sallittu; se kirjoitetaan kertopisteellä: A·h, ei Ah eikä A/h. Varaussuureen tunnus on kursivoitu Q, yksikön pysty C: merkinnässä Q = 4,5 C kursiivi ja pystykirjasin erottavat merkitykset. Venäläinen tunnus on Кл. Varaus voi olla negatiivinen, ja merkki kuuluu arvoon: −1,6·10⁻¹⁹ C elektronilla, +1,6·10⁻¹⁹ C protonilla. Niiden itseisarvot täsmäävät tarkalleen.
Varaussuureen tunnus on kursivoitu Q, yksikön pysty C: kaavassa Q = 4,5 C kursiivi ja pystykirjasin kantavat eron. Venäläinen tunnus on Кл. Ampeeritunti kirjoitetaan puolikorkealla pisteellä tai välilyönnillä tunnusten väliin, ei koskaan yhteen: A·h, ei Ah. Yksinäinen pieni c on etuliite sentti- ja valon nopeuden tunnus, joilla ei ole varauksen kanssa mitään tekemistä.
06 · Naapuriyksiköt
Coulombi seisoo virran ja jännitteen välissä: virta on varausta sekunnissa, kapasitanssi varausta volttia kohti. Molemmat yhteydet mahtuvat yhdelle riville.
Simetriumin korteista ovat coulombin naapureita ampeeri, jonka varaus sekunnissa se juuri on, faradi ja voltti samasta kaavasta, ampeeritunti saman varauksen arkisena mittana sekä mooli, jonka kautta varaus liittyy ainemäärään.
07 · Historiallinen osa
Varaus, joka opittiin laskemaan ennen kuin se ymmärrettiin
Charles Coulomb ripusti vipuvarren ohueen hopealankaan ja mittasi varattujen kuulien välisen voiman kiertymäkulmasta. Kääntäen verrannollisuus etäisyyden neliöön tuli kokeesta, vaikka siitä oli esitetty arvauksia jo aiemmin.
Kansainvälinen sähkömiesten kongressi jakoi nimet kerralla useille yksiköille: voltti, ampeeri, ohmi, coulombi ja faradi syntyivät samana vuonna. Varaus määriteltiin virran kautta eikä päinvastoin — virtaa oli helpompi mitata.
Robert Millikan piti varattuja öljypisaroita tasapainossa sähkökentässä ja havaitsi, että niiden varaukset olivat yhden suureen monikertoja. Näin varauksen epäjatkuvuus todistettiin ja alkeisvarauksen arvo löydettiin — puolen prosentin virheellä, koska ilman viskositeetti oli väärin. Kansainvälinen coulombi määriteltiin hopeacoulombimittarilla: varaus, joka saostaa 1,118 milligrammaa hopeaa. Nykyisestä se poikkesi viidennessä numerossa.
Ampeeri määriteltiin uudelleen kiinnitetyn elektronin varauksen kautta, ja coulombi sai toisen, tarkan mitan: kokonaisen määrän alkeisvarauksia. Vanha ampeerin määritelmä johtimien välisen voiman kautta poistui yhdessä magneettivakion kanssa, joka lakkasi olemasta tarkka.
Yksikkö, jolla ei ole normaalia eikä sitä tarvita
Varausta ei säilytetä: jokainen kerätty coulombi valuu pois eristeen läpi, ilman kautta ja oman pintansa yli muutamassa tunnissa. Siksi coulombin normaalia esineenä ei ole eikä ole koskaan ollut — yksikkö toteutetaan mittaamalla virta aikavälin yli, ja vuodesta 2019 myös laskemalla elektroneja. Yksielektronipumput ajavat kvanttipisteen läpi yhden elektronin tahtia kohti: miljardi tahtia sekunnissa antaa noin sadankuudenkymmenen pikoampeerin virran, joka tunnetaan tarkkuudella, johon klassiset menetelmät eivät yllä. Kolmion voltti — ampeeri — ohmi sulkeminen kvantti-ilmiöillä ja coulombin saaminen kolmatta riippumatonta tietä ei ole metrologialta vielä onnistunut: erot ovat miljardisosien luokkaa, ja juuri ne asettavat nykyään sähköisten mittausten tarkkuuden rajan.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi omalla nimellä varustettua johdannaista ja järjestelmän ulkopuoliset yksiköt, joita ilman ei tule toimeen tekniikka eikä arki. Jokaisella oma lehtensä: määritelmä, muunnos, mittalaitteet, kirjoitussäännöt. 30 kielellä.
SI-johdannaisyksiköt omalla nimellä
coulombin kortti on aukiSI-perusyksiköt
terrakotalla — ampeeri ja sekunti, joista coulombi koostuuVaraus muissa järjestelmissä
Kortin kieli
30 kieltä. Tunnus C on kansainvälinen, mutta varauksen arkinen mitta vaihtelee: joissakin maissa akun kapasiteetti ilmoitetaan milliampeeritunteina, toisissa wattitunteina.