Kulomb
Jednostka pochodna SI · wielkość: ładunek elektryczny
01 · Definicja
Coulomb zawiesił naładowaną kulkę na cienkiej nici i po kącie skręcenia zmierzył siłę odpychania. Tak znaleziono prawo, które trzyma w całości całą elektrostatykę.
Jeden kulomb to ładunek, który przy prądzie jednego ampera przechodzi przez przewód w ciągu sekundy. Dla elektrostatyki to bardzo dużo, dla sieci całkiem niewiele: piorun przenosi dziesiątki kulombów, a wyładowanie ze swetra z tworzywa — mikrokulomby. Akumulator smartfona gromadzi około jedenastu tysięcy kulombów, choć przyjęło się liczyć je w miliamperogodzinach. Od 2019 roku łańcuch się odwrócił: ładunek elementarny ustalono dokładną liczbą, i kulomb to teraz równo 6 241 509 074 460 762 607,776 ładunków elementarnych.
Grzebień naelektryzowany o włosy niesie rzędu dziesiątej części mikrokulomba; człowiek, który przeszedł po dywanie — około mikrokulomba, a to już wystarcza na iskrę długości centymetra. Ładunek chmury burzowej dochodzi do kilkudziesięciu kulombów, a jedno uderzenie pioruna przenosi od pięciu do trzydziestu. Wszystko, co pokazuje elektroskop, mieści się w miliardowych częściach jednostki: siła między ładunkami maleje z kwadratem odległości i rośnie tak szybko, że ciała rozpychają się na długo przed jakimkolwiek zauważalnym nagromadzeniem.
02 · Przeliczanie
Wpisz ładunek — karta rozłoży go na wszystkie jednostki
Amperogodzina to ten sam ładunek, tylko z godziną zamiast sekundy: mnożnik wynosi dokładnie 3600. Faradaj to ładunek mola elektronów, jednostka elektrochemii.
Faradaj wiąże elektryczność z chemią: aby wydzielić na elektrodzie mol substancji jednowartościowej, trzeba przepuścić 96 485 kulombów. Stąd stała Faradaya wychodzi z pomnożenia ładunku elektronu przez liczbę Avogadra, a od 2019 roku oba czynniki są dokładne — więc dokładna jest i ona sama. Na tym prawie stoi cała galwanotechnika: grubość powłoki liczy się z przepuszczonego ładunku, a nie z czasu ani napięcia.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| C | kulomb, jednostka SI | 1 | fizyka, elektrotechnika |
| mC | milikulomb | 1000 | lampy błyskowe, defibrylatory |
| µC | mikrokulomb | 1000000 | elektryczność statyczna |
| nC | nanokulomb | 1·10⁹ | elektrostatyka, pyłki |
| A·h | amperogodzina | 2,778·10⁻⁴ | akumulatory, baterie |
| mA·h | miliamperogodzina | 0,2778 | telefony, laptopy |
| statC | frankin, układ CGS-ES | 2,998·10⁹ | dawna fizyka teoretyczna |
| abC | abkulomb, układ CGS-EM | 0,1 | elektromagnetyczny CGS |
| faradaj | ładunek mola elektronów | 1,036·10⁻⁵ | elektrochemia, galwanotechnika |
| e | ładunek elementarny | 6,242·10¹⁸ | fizyka atomowa i jądrowa |
| A·h | amperogodzina | 2,778·10⁻⁴ | energetyka, akumulatory |
| C | kulomb | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
Amperogodzina to ten sam ładunek, tylko z godziną zamiast sekundy: mnożnik wynosi dokładnie 3600. Faradaj to ładunek mola elektronów, jednostka elektrochemii.
03 · Rzędy wielkości
od elektronu po chmurę burzowąJeden kulomb: amper przez sekundę
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się ładunek
Dwa złote listki rozchylają się tym mocniej, im większy ładunek na wspólnym pręcie. Przyrząd wskazuje potencjał, a ładunek otrzymuje się przez pomnożenie przez znaną pojemność. Chwyta ułamki pikokulomba i nie pobiera prądu — tym żyje od osiemnastego wieku.
Ogniwo elektrolityczne, w którym przepuszczony ładunek zamienia się w masę osadzonego metalu. Elektrodę waży się przed i po, a prawo Faradaya daje ładunek. Powolny, za to bezwzględny: wynik nie zależy od żadnych wzorców elektrycznych.
Przyrząd samego Coulomba: naładowana kulka na ramieniu jest odpychana przez nieruchomą, nić się skręca, a kąt obrotu daje siłę. Tak w 1785 roku ustalono prawo odwrotnych kwadratów — pomiarem, a nie domysłem.
Układ scalony w akumulatorze bez przerwy mierzy prąd na boczniku i sumuje go po czasie, otrzymując zużyty ładunek. To właśnie ta wielkość, a nie napięcie, pokazuje procent baterii w telefonie — choć z błędem, który się nawarstwia i jest zerowany przy pełnym naładowaniu.
05 · Zasady zapisu
Wielkie C — ale nie stopień Celsjusza
Ten sam symbol zajęto w SI dwukrotnie: bez znaku stopnia to ładunek, ze znakiem — temperatura. Amperogodzina nie jest jednostką SI, ale dopuszczono ją w praktyce; pisze się ją z kropką mnożenia: A·h, a nie Ah ani A/h. Oznaczenie wielkości ładunku to kursywne Q, jednostki — proste C: w zapisie Q = 4,5 C kursywa i pismo proste rozdzielają sensy. Oznaczenie rosyjskie to Кл. Ładunek bywa ujemny, a znak jest częścią wartości: −1,6·10⁻¹⁹ C u elektronu, +1,6·10⁻¹⁹ C u protonu. Ich moduły zgadzają się dokładnie.
Oznaczenie wielkości ładunku to kursywne Q, jednostki — proste C: we wzorze Q = 4,5 C kursywa i pismo proste niosą rozróżnienie. Oznaczenie rosyjskie to Кл. Amperogodzinę pisze się z kropką w pół wysokości lub ze spacją między symbolami, nigdy łącznie: A·h, a nie Ah. Samotne małe c to przedrostek centy- i symbol prędkości światła, z ładunkiem nie mające nic wspólnego.
06 · Jednostki sąsiednie
Kulomb stoi między prądem a napięciem: prąd to ładunek na sekundę, a pojemność — ładunek na wolt. Oba związki mieszczą się w jednym wierszu.
Spośród kart Simetrium sąsiadują z kulombem amper, którego ładunkiem na sekundę właśnie jest, farad i wolt z tego samego wzoru, amperogodzina jako potoczna miara tego samego ładunku oraz mol, przez który ładunek wiąże się z liczbą materii.
07 · Dział historyczny
Ładunek, który nauczono się liczyć wcześniej, niż zrozumiano
Charles Coulomb zawiesił ramię na cienkiej srebrnej nici i po kącie skręcenia zmierzył siłę między naładowanymi kulkami. Odwrotna proporcjonalność do kwadratu odległości wyszła z doświadczenia, choć domysły o niej wypowiadano i wcześniej.
Międzynarodowy Kongres Elektryków rozdał nazwy od razu kilku jednostkom: wolt, amper, om, kulomb i farad pojawiły się w jednym roku. Ładunek zdefiniowano przez prąd, a nie odwrotnie — prąd łatwiej było mierzyć.
Robert Millikan równoważył naładowane kropelki oleju polem elektrycznym i odkrył, że ich ładunki są wielokrotnościami jednej wielkości. Tak dowiedziono nieciągłości ładunku i znaleziono wartość elementarnego — z błędem pół procenta przez błędną lepkość powietrza. Kulomb międzynarodowy określano przez kulombomierz srebrowy: ładunek osadzający 1,118 miligrama srebra. Od dzisiejszego różnił się na piątym miejscu.
Amper zdefiniowano na nowo przez ustalony ładunek elektronu, a kulomb otrzymał drugą, dokładną miarę: całkowitą liczbę ładunków elementarnych. Dawna definicja ampera przez siłę między przewodnikami odeszła razem ze stałą magnetyczną, która przestała być dokładna.
Jednostka bez wzorca — i bez potrzeby jego posiadania
Ładunku się nie przechowuje: każdy zebrany kulomb ucieka przez izolację, przez powietrze i przez własną powierzchnię w ciągu kilku godzin. Dlatego wzorzec kulomba w postaci przedmiotu nie istnieje i nigdy nie istniał — jednostkę odtwarza się pomiarem prądu w przedziale czasu, a od 2019 roku także zliczaniem elektronów. Pompy jednoelektronowe przepuszczają przez kropkę kwantową po jednym elektronie na takt: miliard taktów na sekundę daje prąd około stu sześćdziesięciu pikoamperów, znany z dokładnością nieosiągalną dla metod klasycznych. Zamknąć trójkąt wolt — amper — om efektami kwantowymi i uzyskać kulomb trzecią niezależną drogą metrologom na razie się nie udało: rozbieżności leżą na poziomie miliardowych części i to właśnie one wyznaczają dziś granicę dokładności pomiarów elektrycznych.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 30 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
otwarta karta kulombaJednostki podstawowe SI
terakotą — amper i sekunda, z których składa się kulombŁadunek w innych układach
Język karty
30 języków. Symbol C jest międzynarodowy, ale potoczna miara ładunku bywa różna: w jednych krajach pojemność akumulatorów podaje się w miliamperogodzinach, w innych w watogodzinach.