Кулон
Производная единица СИ · величина: электрический заряд
01 · Определение
Кулон подвесил заряженный шарик на тонкой нити и по углу закручивания измерил силу отталкивания. Так был найден закон, который держит вместе всю электростатику.
Один кулон — заряд, который проходит через провод за секунду при токе в один ампер. Это очень много для статики и совсем немного для сети: молния переносит десятки кулонов, а разряд от синтетического свитера — микрокулоны. Аккумулятор смартфона запасает около одиннадцати тысяч кулонов, но их принято считать в миллиампер-часах. С 2019 года цепочка развернулась: элементарный заряд закреплён точным числом, и кулон теперь ровно 6 241 509 074 460 762 607,776 элементарных зарядов.
Расчёска, наэлектризованная о волосы, несёт порядка десятой доли микрокулона; человек, прошедший по ковру, — около микрокулона, и этого хватает на искру в сантиметр. Заряд грозового облака доходит до нескольких десятков кулонов, а один разряд молнии переносит от пяти до тридцати. Всё, что показывает электроскоп, лежит в миллиардных долях единицы: сила между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния и растёт так быстро, что тела расталкиваются задолго до сколько-нибудь заметного накопления.
02 · Пересчёт
Введите заряд — паспорт разложит его по единицам
Ампер-час — тот же заряд, только с часом вместо секунды: множитель ровно 3600. Фарадей — заряд моля электронов, единица электрохимии.
Фарадей связывает электричество с химией: чтобы выделить на электроде один моль одновалентного вещества, нужно пропустить 96 485 кулонов. Отсюда постоянная Фарадея получается перемножением заряда электрона на число Авогадро, и с 2019 года оба множителя заданы точно — значит, точна и она сама. На этом законе стоит вся гальваника: толщина покрытия считается по прошедшему заряду, а не по времени или напряжению.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| C | кулон, единица СИ | 1 | физика, электротехника |
| mC | милликулон | 1000 | вспышки, дефибрилляторы |
| µC | микрокулон | 1000000 | статическое электричество |
| nC | нанокулон | 1·10⁹ | электростатика, пылинки |
| A·h | ампер-час | 2,778·10⁻⁴ | аккумуляторы, батареи |
| mA·h | миллиампер-час | 0,2778 | телефоны, ноутбуки |
| statC | франклин, система СГСЭ | 2,998·10⁹ | старая теоретическая физика |
| abC | абкулон, система СГСМ | 0,1 | электромагнитная СГС |
| фарадей | заряд моля электронов | 1,036·10⁻⁵ | электрохимия, гальваника |
| e | элементарный заряд | 6,242·10¹⁸ | атомная и ядерная физика |
| A·h | ампер-час | 2,778·10⁻⁴ | энергетика, аккумуляторы |
| C | кулон | 1 | исходная единица листа |
Ампер-час — тот же заряд, только с часом вместо секунды: множитель ровно 3600. Фарадей — заряд моля электронов, единица электрохимии.
03 · Порядки величин
от электрона до грозового облакаОдин кулон: ампер за секунду
04 · Приборы измерения
Чем измеряют заряд
Два золотых листочка расходятся тем сильнее, чем больше заряд на общем стержне. Прибор показывает потенциал, а заряд получают умножением на известную ёмкость. Ловит доли пикокулона и не потребляет тока — тем и жив с восемнадцатого века.
Электролитическая ячейка, в которой прошедший заряд превращается в массу осевшего металла. Электрод взвешивают до и после — и по закону Фарадея получают заряд. Медленный, зато абсолютный: результат не зависит ни от каких электрических эталонов.
Прибор самого Кулона: заряженный шарик на коромысле отталкивается от неподвижного, нить закручивается, и угол поворота даёт силу. Так в 1785 году был установлен закон обратных квадратов — измерением, а не догадкой.
Микросхема в аккумуляторе непрерывно измеряет ток на шунте и складывает его по времени, получая израсходованный заряд. Именно эта величина, а не напряжение, показывает процент батареи в телефоне — правда, с накоплением ошибки, которую сбрасывают при полном заряде.
05 · Правила записи
Прописная C — но не градус Цельсия
Один и тот же символ в СИ занят дважды: без знака градуса это заряд, со знаком — температура. Ампер-час — не единица СИ, но допущена в практике; писать её нужно с точкой умножения: А·ч, а не Ач и не A/h. Обозначение величины заряда — курсивная Q, единицы — прямая C: в записи Q = 4,5 C курсив и прямой шрифт различают смысл. Русское обозначение — Кл. Заряд бывает отрицательным, и знак — часть значения: −1,6·10⁻¹⁹ C у электрона, +1,6·10⁻¹⁹ C у протона. Модуль у них совпадает точно.
Обозначение величины заряда — курсивная Q, единицы — прямая C: в формуле Q = 4,5 C курсив и прямой шрифт различают смысл. Русское обозначение — Кл. Ампер-час пишут с точкой на середине строки или пробелом между символами, а не слитно: A·h, а не Ah. Отдельная строчная c — это символ санти- в приставках и обозначение скорости света, к заряду отношения не имеющие.
06 · Соседние единицы
Кулон стоит между током и напряжением: ток — это заряд в секунду, а ёмкость — заряд на вольт. Обе связи выражаются одной строчкой.
Из паспортов Simetrium к кулону примыкают ампер, чей заряд за секунду он и есть, фарад и вольт из той же формулы, ампер-час как бытовая мера того же заряда и моль, через который заряд связан с количеством вещества.
07 · Исторический раздел
Заряд, который научились считать раньше, чем поняли
Шарль Кулон подвесил коромысло на тонкой серебряной нити и по углу закручивания измерил силу между заряженными шариками. Обратная пропорциональность квадрату расстояния получилась из опыта, хотя догадки о ней высказывались и раньше.
Международный конгресс электриков раздал имена сразу нескольким единицам: вольт, ампер, ом, кулон и фарад появились в один год. Заряд определили через ток, а не наоборот — измерять ток было проще.
Роберт Милликен уравновешивал заряженные капельки масла электрическим полем и обнаружил, что их заряды кратны одной величине. Так была доказана дискретность заряда и найдено значение элементарного — с ошибкой в полпроцента из-за неверной вязкости воздуха. Международный кулон задавался через серебряный кулонометр: заряд, осаждающий 1,118 миллиграмма серебра. От нынешнего он расходился в пятом знаке.
Ампер переопределили через фиксированный заряд электрона, и кулон получил вторую, точную меру: целое число элементарных зарядов. Старое определение ампера через силу между проводниками ушло вместе с магнитной постоянной, переставшей быть точной.
Единица, у которой нет эталона и не нужно
Заряд не хранят: любой накопленный кулон утекает через изоляцию, воздух и собственную поверхность за считаные часы. Поэтому эталона кулона в виде предмета не существует и никогда не существовало — единицу воспроизводят измерением тока за интервал времени, а с 2019 года ещё и счётом электронов. Одноэлектронные насосы прогоняют через квантовую точку по одному электрону за такт: миллиард тактов в секунду даёт ток около ста шестидесяти пикоампер, известный с точностью, недостижимой для классических методов. Замкнуть треугольник вольт — ампер — ом квантовыми эффектами и получить кулон третьим независимым способом метрологи пока не смогли: расхождения лежат на уровне миллиардных долей, и именно они сегодня определяют предел точности электрических измерений.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 30 языках.
Производные СИ с собственным именем
открыт паспорт кулонаБазовые единицы СИ
терракотой — ампер и секунда, из которых состоит кулонЗаряд в других системах
Язык паспорта
30 языков. Символ C международный, а вот бытовая мера заряда различается: в одних странах ёмкость аккумуляторов указывают в миллиампер-часах, в других — в ватт-часах.