Coulomb
Odvodená jednotka SI · veličina: elektrický náboj
01 · Definícia
Coulomb zavesil nabitú guľôčku na tenké vlákno a podľa uhla skrútenia zmeral odpudivú silu. Tak sa našiel zákon, ktorý drží pokope celú elektrostatiku.
Jeden coulomb je náboj, ktorý pri prúde jedného ampéra prejde vodičom za sekundu. Pre statickú elektrinu je to veľmi veľa a pre sieť celkom málo: blesk prenesie desiatky coulombov, kým výboj zo svetra z umelého vlákna sú mikrocoulomby. Akumulátor telefónu uchová okolo jedenásť tisíc coulombov, hoci je zvykom počítať ich v miliampérhodinách. Od roku 2019 sa reťaz obrátila: elementárny náboj je určený presným číslom a coulomb je teraz presne 6 241 509 074 460 762 607,776 elementárnych nábojov.
Hrebeň nabitý o vlasy nesie rádovo desatinu mikrocoulombu; človek, ktorý prešiel po koberci, asi mikrocoulomb, a to už stačí na iskru dlhú centimeter. Náboj búrkového mraku dosahuje niekoľko desiatok coulombov a jediný úder blesku prenesie päť až tridsať. Všetko, čo ukazuje elektroskop, leží v miliardtinách jednotky: sila medzi nábojmi klesá s druhou mocninou vzdialenosti a rastie tak rýchlo, že sa telesá rozostrkajú dávno predtým, než sa nazbiera čokoľvek badateľné.
02 · Prevod
Zadajte náboj — list ho rozloží do všetkých jednotiek
Ampérhodina je ten istý náboj, len s hodinou namiesto sekundy: činiteľ je presne 3600. Faraday je náboj mólu elektrónov, jednotka elektrochémie.
Faraday spája elektrinu s chémiou: aby sa na elektróde vylúčil jeden mól jednomocnej látky, musí prejsť 96 485 coulombov. Faradayova konštanta odtiaľ vychádza ako súčin náboja elektrónu a Avogadrovho čísla a od roku 2019 sú obaja činitelia presní — teda je presná aj ona. Na tomto zákone stojí celá galvanotechnika: hrúbka povlaku sa počíta z prejdeného náboja, nie z času ani z napätia.
| Jednotka | Názov | Hodnota | Kde sa vyskytuje |
|---|---|---|---|
| C | coulomb, jednotka SI | 1 | fyzika, elektrotechnika |
| mC | milicoulomb | 1000 | blesky, defibrilátory |
| µC | mikrocoulomb | 1000000 | statická elektrina |
| nC | nanocoulomb | 1·10⁹ | elektrostatika, prachové zrnká |
| A·h | ampérhodina | 2,778·10⁻⁴ | akumulátory, batérie |
| mA·h | miliampérhodina | 0,2778 | telefóny, notebooky |
| statC | franklin, sústava CGS-ES | 2,998·10⁹ | staršia teoretická fyzika |
| abC | abcoulomb, sústava CGS-EM | 0,1 | elektromagnetická CGS |
| faraday | náboj mólu elektrónov | 1,036·10⁻⁵ | elektrochémia, galvanotechnika |
| e | elementárny náboj | 6,242·10¹⁸ | atómová a jadrová fyzika |
| A·h | ampérhodina | 2,778·10⁻⁴ | energetika, akumulátory |
| C | coulomb | 1 | východisková jednotka tohto listu |
Ampérhodina je ten istý náboj, len s hodinou namiesto sekundy: činiteľ je presne 3600. Faraday je náboj mólu elektrónov, jednotka elektrochémie.
03 · Rády veličín
od elektrónu po búrkový mrakJeden coulomb: ampér za sekundu
04 · Meracie prístroje
Čím sa meria náboj
Dva zlaté lístky sa rozovierajú tým viac, čím väčší je náboj na spoločnej tyčke. Prístroj ukazuje potenciál a náboj sa získa vynásobením známou kapacitou. Zachytí zlomky pikocoulombu a neodoberá prúd — tým žije od osemnásteho storočia.
Elektrolytický článok, v ktorom sa prejdený náboj mení na hmotnosť vylúčeného kovu. Elektróda sa odváži pred a po a Faradayov zákon dá náboj. Pomalý, zato absolútny: výsledok nezávisí od žiadnych elektrických etalónov.
Prístroj samotného Coulomba: nabitá guľôčka na vahadle je odpudzovaná nehybnou, vlákno sa skrúti a uhol otočenia dá silu. Tak sa v roku 1785 stanovil zákon prevrátených štvorcov — meraním, nie dohadom.
Čip v akumulátore nepretržite meria prúd na bočníku a sčítava ho podľa času, čím získava spotrebovaný náboj. Práve táto veličina, a nie napätie, ukazuje percento batérie v telefóne — pravda, s chybou, ktorá sa hromadí a pri plnom nabití sa nuluje.
05 · Pravidlá zápisu
Veľké C — ale nie stupeň Celzia
Ten istý znak je v SI obsadený dvakrát: bez znamienka stupňa je to náboj, so znamienkom teplota. Ampérhodina nie je jednotkou SI, no v praxi je pripustená; písať sa má s bodkou násobenia: A·h, nie Ah a nie A/h. Značka veličiny náboj je kurzívne Q, jednotky stojaté C: v zápise Q = 4,5 C kurzíva a stojaté písmo rozlišujú zmysel. Ruská značka je Кл. Náboj býva záporný a znamienko je súčasťou hodnoty: −1,6·10⁻¹⁹ C pri elektróne, +1,6·10⁻¹⁹ C pri protóne. Ich veľkosti sa zhodujú presne.
Značka veličiny náboj je kurzívne Q, jednotky stojaté C: vo vzorci Q = 4,5 C nesú rozdiel kurzíva a stojaté písmo. Ruská značka je Кл. Ampérhodina sa píše s bodkou v strede riadku alebo s medzerou medzi značkami, nikdy spolu: A·h, nie Ah. Samostatné malé c je predpona centi- a značka rýchlosti svetla, s nábojom nemajú nič spoločné.
06 · Susedné jednotky
Coulomb stojí medzi prúdom a napätím: prúd je náboj za sekundu, kapacita je náboj na volt. Oba vzťahy sa zmestia na jeden riadok.
Z listov Simetria susedia s coulombom ampér, ktorého nábojom za sekundu práve je, farad a volt z toho istého vzorca, ampérhodina ako bežná miera toho istého náboja a mol, ktorým je náboj spojený s látkovým množstvom.
07 · Historický oddiel
Náboj, ktorý sa ľudia naučili počítať skôr, než mu porozumeli
Charles Coulomb zavesil vahadlo na tenké strieborné vlákno a podľa uhla skrútenia zmeral silu medzi nabitými guľôčkami. Nepriama úmernosť druhej mocnine vzdialenosti vyšla z pokusu, hoci dohady o nej zaznievali už skôr.
Medzinárodný kongres elektrotechnikov rozdal mená hneď niekoľkým jednotkám: volt, ampér, ohm, coulomb a farad sa objavili v jednom roku. Náboj definovali cez prúd, a nie naopak — prúd sa meral ľahšie.
Robert Millikan vyvažoval nabité kvapôčky oleja elektrickým poľom a zistil, že ich náboje sú násobkami jedinej veličiny. Tak sa dokázala nespojitosť náboja a našla hodnota elementárneho — s polpercentnou chybou pre nesprávnu viskozitu vzduchu. Medzinárodný coulomb sa určoval strieborným coulombmetrom: náboj, ktorý vylúči 1,118 miligramu striebra. Od dnešného sa líšil na piatom mieste.
Ampér bol nanovo definovaný pevne daným nábojom elektrónu a coulomb dostal druhú, presnú mieru: celý počet elementárnych nábojov. Stará definícia ampéra cez silu medzi vodičmi odišla spolu s magnetickou konštantou, ktorá prestala byť presná.
Jednotka, ktorá nemá etalón a ani ho nepotrebuje
Náboj sa neuchováva: každý nazbieraný coulomb utečie izoláciou, vzduchom a vlastným povrchom v priebehu niekoľkých hodín. Preto etalón coulombu ako predmet neexistuje a nikdy neexistoval — jednotka sa realizuje meraním prúdu za časový interval a od roku 2019 aj počítaním elektrónov. Jednoelektrónové pumpy preháňajú kvantovou bodkou po jednom elektróne na takt: miliarda taktov za sekundu dá prúd okolo stošesťdesiat pikoampérov, známy s presnosťou pre klasické metódy nedosiahnuteľnou. Uzavrieť trojuholník volt — ampér — ohm kvantovými javmi a získať coulomb treťou nezávislou cestou sa metrológom zatiaľ nepodarilo: rozdiely ležia na úrovni miliardtín a práve ony dnes určujú hranicu presnosti elektrických meraní.
Katalóg · meracie jednotky
List pre každú veličinu
Sedem základných jednotiek SI, dvadsaťdva odvodených s vlastnými názvami a jednotky mimo sústavy, bez ktorých sa nezaobíde technika ani bežný život. Každá má svoj list: definícia, prevod, prístroje, pravidlá zápisu. V 30 jazykoch.
Odvodené jednotky SI s vlastným názvom
otvorený list coulombuZákladné jednotky SI
terakotou — ampér a sekunda, z ktorých sa coulomb skladáNáboj v iných sústavách
Jazyk listu
30 jazykov. Značka C je medzinárodná, no bežná miera náboja sa líši: v jedných krajinách sa kapacita akumulátorov udáva v miliampérhodinách, v iných vo watthodinách.