Coulomb
Afgeleide SI-eenheid · grootheid: elektrische lading
01 · Definitie
Coulomb hing een geladen bolletje aan een dunne draad en mat de afstotende kracht aan de draaiingshoek. Zo werd de wet gevonden die de hele elektrostatica bijeenhoudt.
Eén coulomb is de lading die bij een stroom van één ampère in één seconde door de draad gaat. Voor de statica is dat heel veel en voor het net heel weinig: bliksem draagt tientallen coulomb, terwijl de ontlading van een synthetische trui microcoulomb bedraagt. De accu van een telefoon bergt ongeveer elfduizend coulomb, al is het gebruik ze in milliampère-uren te tellen. Sinds 2019 is de keten omgekeerd: de elementaire lading ligt vast als een exact getal, en de coulomb is nu precies 6 241 509 074 460 762 607,776 elementaire ladingen.
Een aan het haar geladen kam draagt zo’n tiende microcoulomb; een mens die over een tapijt is gelopen ongeveer een microcoulomb, en dat is genoeg voor een vonk van een centimeter. De lading van een onweerswolk komt tot enkele tientallen coulomb, en één blikseminslag draagt er vijf tot dertig. Alles wat een elektroscoop laat zien ligt in miljardsten van de eenheid: de kracht tussen ladingen gaat met het kwadraat van de afstand en groeit zo snel dat lichamen elkaar allang wegduwen voordat zich iets noemenswaardigs heeft opgehoopt.
02 · Omrekening
Voer een lading in — de fiche legt haar in alle eenheden uit
Het ampère-uur is dezelfde lading, met het uur in plaats van de seconde: de factor is precies 3600. De faraday is de lading van een mol elektronen, de eenheid van de elektrochemie.
De faraday bindt elektriciteit aan scheikunde: om op een elektrode één mol van een eenwaardige stof af te scheiden moeten 96 485 coulomb doorgaan. De constante van Faraday volgt daaruit als product van de elementaire lading en het getal van Avogadro, en sinds 2019 zijn beide factoren exact — dus is zij het ook. Op deze wet rust de hele galvanotechniek: de laagdikte wordt berekend uit de doorgegane lading, niet uit tijd of spanning.
| Eenheid | Naam | Waarde | Waar het voorkomt |
|---|---|---|---|
| C | coulomb, SI-eenheid | 1 | natuurkunde, elektrotechniek |
| mC | millicoulomb | 1000 | flitsers, defibrillatoren |
| µC | microcoulomb | 1000000 | statische elektriciteit |
| nC | nanocoulomb | 1·10⁹ | elektrostatica, stofdeeltjes |
| A·h | ampère-uur | 2,778·10⁻⁴ | accu’s, batterijen |
| mA·h | milliampère-uur | 0,2778 | telefoons, laptops |
| statC | franklin, stelsel CGS-esu | 2,998·10⁹ | oudere theoretische fysica |
| abC | abcoulomb, stelsel CGS-emu | 0,1 | elektromagnetisch CGS |
| faraday | lading van een mol elektronen | 1,036·10⁻⁵ | elektrochemie, galvanotechniek |
| e | elementaire lading | 6,242·10¹⁸ | atoom- en kernfysica |
| A·h | ampère-uur | 2,778·10⁻⁴ | energietechniek, accu’s |
| C | coulomb | 1 | de uitgangseenheid van dit blad |
Het ampère-uur is dezelfde lading, met het uur in plaats van de seconde: de factor is precies 3600. De faraday is de lading van een mol elektronen, de eenheid van de elektrochemie.
03 · Ordes van grootte
van het elektron tot de onweerswolkEén coulomb: een ampère gedurende een seconde
04 · Meetinstrumenten
Waarmee lading wordt gemeten
Twee goudblaadjes gaan verder uiteen naarmate de lading op hun gemeenschappelijke staaf groter is. Het instrument toont de potentiaal, en de lading volgt door te vermenigvuldigen met een bekende capaciteit. Het vangt fracties van een picocoulomb en trekt geen stroom — daarom leeft het sinds de achttiende eeuw voort.
Een elektrolytische cel waarin de doorgegane lading verandert in de massa van neergeslagen metaal. De elektrode wordt vooraf en achteraf gewogen, en de wet van Faraday geeft de lading. Traag, maar absoluut: de uitkomst hangt van geen enkele elektrische standaard af.
Coulombs eigen instrument: een geladen bolletje aan een balk wordt door een vast bolletje afgestoten, de draad verdraait, en de draaiingshoek geeft de kracht. Zo werd in 1785 de omgekeerde-kwadratenwet vastgesteld — door meting, niet door gissing.
Een chip in de accu meet doorlopend de stroom over een shunt en telt hem op in de tijd, waarmee de verbruikte lading ontstaat. Juist deze grootheid, en niet de spanning, laat het batterijpercentage op een telefoon zien — zij het met een fout die zich ophoopt en bij volle lading wordt teruggezet.
05 · Schrijfregels
Hoofdletter C — maar niet de graad Celsius
Eén en hetzelfde symbool is in het SI tweemaal vergeven: zonder het gradenteken is het lading, met het teken temperatuur. Het ampère-uur is geen SI-eenheid maar in de praktijk toegelaten; het moet met een vermenigvuldigingspunt worden geschreven: A·h, niet Ah en niet A/h. Het symbool voor de grootheid lading is een cursieve Q, voor de eenheid een rechte C: in Q = 4,5 C scheiden cursief en recht de betekenissen. Het Russische symbool is Кл. Lading kan negatief zijn, en het teken hoort bij de waarde: −1,6·10⁻¹⁹ C voor het elektron, +1,6·10⁻¹⁹ C voor het proton. Hun absolute waarden komen exact overeen.
Het symbool voor de grootheid lading is een cursieve Q, voor de eenheid een rechte C: in de formule Q = 4,5 C dragen cursief en recht het onderscheid. Het Russische symbool is Кл. Het ampère-uur schrijft men met een punt op halve hoogte of met een spatie tussen de symbolen, nooit aaneen: A·h, niet Ah. Een losse kleine c is het voorvoegsel centi- en het symbool van de lichtsnelheid, die met lading niets te maken hebben.
06 · Naburige eenheden
De coulomb staat tussen stroom en spanning: stroom is lading per seconde, capaciteit is lading per volt. Beide verbanden passen op één regel.
Van de fiches van Simetrium staan naast de coulomb ampère, wiens lading per seconde hij nu juist is, farad en volt uit dezelfde formule, ampère-uur als alledaagse maat van dezelfde lading, en mol, waardoor de lading met de hoeveelheid stof verbonden is.
07 · Historisch deel
Een lading die men leerde tellen voordat men haar begreep
Charles Coulomb hing een balk aan een dunne zilverdraad en mat de kracht tussen geladen bolletjes aan de draaiingshoek. De omgekeerde evenredigheid met het kwadraat van de afstand kwam uit het experiment, al was zij eerder al vermoed.
Het Internationale Congres van Elektriciens deelde in één keer namen uit aan meerdere eenheden: de volt, de ampère, de ohm, de coulomb en de farad verschenen in hetzelfde jaar. De lading werd via de stroom gedefinieerd en niet andersom — stroom was makkelijker te meten.
Robert Millikan hield geladen oliedruppeltjes in evenwicht met een elektrisch veld en ontdekte dat hun ladingen veelvouden waren van één grootheid. Zo werd de discretheid van de lading bewezen en de waarde van de elementaire gevonden — met een halve procent fout, door een verkeerde viscositeit van de lucht. De internationale coulomb was via een zilvercoulombmeter bepaald: de lading die 1,118 milligram zilver afzet. Van de huidige week zij af in het vijfde cijfer.
De ampère werd opnieuw gedefinieerd via een vastgelegde elementaire lading, en de coulomb kreeg een tweede, exacte maat: een geheel aantal elementaire ladingen. De oude definitie van de ampère via de kracht tussen geleiders verdween samen met de magnetische constante, die niet langer exact is.
Een eenheid zonder standaard — en zonder behoefte eraan
Lading bewaart men niet: elke opgehoopte coulomb lekt binnen enkele uren weg door de isolatie, door de lucht en over het eigen oppervlak. Daarom bestaat er geen coulombstandaard als voorwerp en heeft die nooit bestaan — de eenheid wordt gerealiseerd door de stroom over een tijdsinterval te meten, en sinds 2019 ook door elektronen te tellen. Enkelelektronpompen sturen per klokslag één elektron door een kwantumdot: een miljard klokslagen per seconde geeft een stroom van ongeveer honderdzestig picoampère, bekend met een nauwkeurigheid die klassieke methoden niet halen. De driehoek volt — ampère — ohm met kwantumeffecten sluiten en de coulomb langs een derde onafhankelijke weg verkrijgen is de metrologie nog niet gelukt: de afwijkingen liggen op het niveau van miljardsten, en juist zij bepalen vandaag de grens van de nauwkeurigheid van elektrische metingen.
Catalogus · meeteenheden
Een fiche voor elke grootheid
Zeven SI-basiseenheden, tweeëntwintig afgeleide met een eigen naam en de eenheden buiten het stelsel waar techniek noch dagelijks leven het zonder stelt. Elk heeft haar eigen blad: definitie, omrekening, instrumenten, schrijfregels. In 30 talen.
Afgeleide SI-eenheden met een eigen naam
fiche van de coulomb geopendSI-basiseenheden
in terracotta — de ampère en de seconde, waaruit de coulomb bestaatLading in andere stelsels
Taal van de fiche
30 talen. Het symbool C is internationaal, maar de alledaagse maat van lading verschilt: in sommige landen geeft men de accucapaciteit in milliampère-uren, in andere in wattuur.