Coulomb
Unità derivata SI · grandezza: carica elettrica
01 · Definizione
Coulomb appese una pallina carica a un filo sottile e misurò la forza di repulsione dall’angolo di torsione. Così fu trovata la legge che tiene insieme tutta l’elettrostatica.
Un coulomb è la carica che passa in un filo in un secondo con una corrente di un ampere. È moltissimo per l’elettricità statica e assai poco per la rete: un fulmine trasporta decine di coulomb, mentre la scarica di un maglione sintetico sono microcoulomb. La batteria di uno smartphone ne immagazzina circa undicimila, benché si usi contarli in milliamperora. Dal 2019 la catena si è rovesciata: la carica elementare è fissata da un numero esatto, e il coulomb vale ora esattamente 6 241 509 074 460 762 607,776 cariche elementari.
Un pettine elettrizzato sui capelli porta all’incirca un decimo di microcoulomb; una persona che ha attraversato un tappeto, circa un microcoulomb, e tanto basta per una scintilla di un centimetro. La carica di una nube temporalesca arriva a qualche decina di coulomb, e una singola scarica di fulmine ne trasporta da cinque a trenta. Tutto ciò che mostra un elettroscopio sta nei miliardesimi dell’unità: la forza fra cariche va come l’inverso del quadrato della distanza e cresce così in fretta che i corpi si respingono molto prima che si accumuli qualcosa di apprezzabile.
02 · Conversione
Inserisci una carica: la scheda la scompone in tutte le unità
L’ampereora è la stessa carica, con l’ora al posto del secondo: il fattore è esattamente 3600. Il faraday è la carica di una mole di elettroni, l’unità dell’elettrochimica.
Il faraday lega l’elettricità alla chimica: per liberare su un elettrodo una mole di sostanza monovalente occorre far passare 96 485 coulomb. Da qui la costante di Faraday risulta dal prodotto della carica dell’elettrone per il numero di Avogadro, e dal 2019 entrambi i fattori sono esatti: dunque lo è anche lei. Su questa legge poggia tutta la galvanica: lo spessore del rivestimento si calcola dalla carica passata, non dal tempo né dalla tensione.
| Unità | Nome | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|---|
| C | coulomb, unità SI | 1 | fisica, elettrotecnica |
| mC | millicoulomb | 1000 | flash, defibrillatori |
| µC | microcoulomb | 1000000 | elettricità statica |
| nC | nanocoulomb | 1·10⁹ | elettrostatica, granelli di polvere |
| A·h | ampereora | 2,778·10⁻⁴ | accumulatori, batterie |
| mA·h | milliamperora | 0,2778 | telefoni, portatili |
| statC | franklin, sistema CGS-ues | 2,998·10⁹ | fisica teorica antica |
| abC | abcoulomb, sistema CGS-uem | 0,1 | CGS elettromagnetico |
| faraday | carica di una mole di elettroni | 1,036·10⁻⁵ | elettrochimica, galvanica |
| e | carica elementare | 6,242·10¹⁸ | fisica atomica e nucleare |
| A·h | ampereora | 2,778·10⁻⁴ | energia, accumulatori |
| C | coulomb | 1 | l’unità di partenza di questa scheda |
L’ampereora è la stessa carica, con l’ora al posto del secondo: il fattore è esattamente 3600. Il faraday è la carica di una mole di elettroni, l’unità dell’elettrochimica.
03 · Ordini di grandezza
dall’elettrone alla nube temporalescaUn coulomb: un ampere per un secondo
04 · Strumenti di misura
Con che cosa si misura la carica
Due foglioline d’oro si aprono tanto più quanto maggiore è la carica sull’asta che le unisce. Lo strumento indica il potenziale, e la carica si ottiene moltiplicando per una capacità nota. Coglie frazioni di picocoulomb e non assorbe corrente: per questo vive dal Settecento.
Una cella elettrolitica in cui la carica passata si trasforma nella massa del metallo depositato. L’elettrodo si pesa prima e dopo, e la legge di Faraday dà la carica. Lento, ma assoluto: il risultato non dipende da alcun campione elettrico.
Lo strumento dello stesso Coulomb: una pallina carica in cima a un braccio è respinta da una fissa, il filo si torce e l’angolo di rotazione dà la forza. Fu così che nel 1785 si stabilì la legge dell’inverso del quadrato: per misura, non per congettura.
Un chip dentro la batteria misura di continuo la corrente su uno shunt e la somma nel tempo, ottenendo la carica spesa. È questa grandezza, non la tensione, a mostrare la percentuale di batteria sul telefono — con un errore, però, che si accumula e viene azzerato a carica piena.
05 · Regole di scrittura
C maiuscola — ma non il grado Celsius
Uno stesso simbolo nel SI è preso due volte: senza il segno di grado è la carica, con esso la temperatura. L’ampereora non è unità SI ma è ammessa nella pratica; va scritta con il punto di moltiplicazione: A·h, e non Ah né A/h. Il simbolo della grandezza carica è una Q corsiva, quello dell’unità una C tonda: in Q = 4,5 C il corsivo e il tondo separano i significati. Il simbolo russo è Кл. La carica può essere negativa, e il segno fa parte del valore: −1,6·10⁻¹⁹ C per l’elettrone, +1,6·10⁻¹⁹ C per il protone. I moduli coincidono esattamente.
Il simbolo della grandezza carica è una Q corsiva, quello dell’unità una C tonda: nella formula Q = 4,5 C il corsivo e il tondo portano la distinzione. Il simbolo russo è Кл. L’ampereora si scrive con il punto a mezza altezza o con uno spazio fra i simboli, mai attaccata: A·h, non Ah. Una c minuscola da sola è il prefisso centi- e il simbolo della velocità della luce, che con la carica non hanno nulla a che fare.
06 · Unità vicine
Il coulomb sta fra corrente e tensione: la corrente è carica al secondo, la capacità è carica per volt. Entrambe le relazioni stanno in una riga.
Fra le schede di Simetrium stanno accanto al coulomb ampere, di cui è appunto la carica al secondo, farad e volt dalla stessa formula, ampereora come misura quotidiana della stessa carica, e mole, attraverso cui la carica si lega alla quantità di sostanza.
07 · Sezione storica
Una carica che si imparò a contare prima di capirla
Charles Coulomb appese un braccio a un sottile filo d’argento e misurò la forza fra palline cariche dall’angolo di torsione. La proporzionalità inversa al quadrato della distanza venne dall’esperimento, benché già prima se ne fossero avanzate congetture.
Il Congresso internazionale degli elettricisti distribuì in una volta i nomi di più unità: volt, ampere, ohm, coulomb e farad comparvero nello stesso anno. La carica fu definita attraverso la corrente e non viceversa: misurare la corrente era più facile.
Robert Millikan teneva in equilibrio goccioline d’olio cariche in un campo elettrico e trovò che le loro cariche erano multiple di una sola grandezza. Fu così dimostrata la discretezza della carica e trovato il valore di quella elementare, con mezzo per cento di errore per una viscosità dell’aria sbagliata. Il coulomb internazionale era definito da un coulombmetro ad argento: la carica che deposita 1,118 milligrammi d’argento. Dall’attuale si discostava alla quinta cifra.
L’ampere fu ridefinito attraverso una carica dell’elettrone fissata, e il coulomb ebbe una seconda misura esatta: un numero intero di cariche elementari. La vecchia definizione dell’ampere per mezzo della forza fra conduttori se ne andò insieme alla costante magnetica, che ha cessato di essere esatta.
Un’unità senza campione — e senza bisogno di averlo
La carica non si conserva: ogni coulomb accumulato se ne va in poche ore attraverso l’isolante, l’aria e la propria superficie. Per questo un campione del coulomb come oggetto non esiste e non è mai esistito: l’unità si realizza misurando la corrente su un intervallo di tempo e, dal 2019, anche contando gli elettroni. Le pompe a singolo elettrone fanno passare un elettrone per ciclo attraverso un punto quantico: un miliardo di cicli al secondo dà una corrente di circa centosessanta picoampere, nota con un’esattezza irraggiungibile per i metodi classici. Chiudere il triangolo volt — ampere — ohm con effetti quantistici e ottenere il coulomb per una terza via indipendente non è ancora riuscito alla metrologia: gli scarti stanno al livello dei miliardesimi, e sono proprio loro a fissare oggi il limite di precisione delle misure elettriche.
Catalogo · unità di misura
Una scheda per ogni grandezza
Sette unità di base del SI, ventidue derivate con nome proprio e le unità fuori sistema senza le quali non se la cavano né la tecnica né la vita di ogni giorno. Ognuna ha il suo foglio: definizione, conversione, strumenti, regole di scrittura. In 30 lingue.
Unità derivate SI con nome proprio
scheda del coulomb apertaUnità di base del SI
in terracotta — l’ampere e il secondo, di cui il coulomb è fattoLa carica in altri sistemi
Lingua della scheda
30 lingue. Il simbolo C è internazionale, ma la misura quotidiana della carica cambia: in alcuni paesi la capacità delle batterie si indica in milliamperora, in altri in wattora.