คูลอมบ์
หน่วยอนุพัทธ์ SI · ปริมาณ: ประจุไฟฟ้า
01 · นิยาม
คูลอมบ์แขวนลูกกลมที่มีประจุไว้กับเส้นด้ายบาง แล้ววัดแรงผลักจากมุมที่บิดไป กฎที่ค้ำจุนไฟฟ้าสถิตทั้งหมดถูกค้นพบเช่นนี้เอง
หนึ่งคูลอมบ์คือประจุที่ไหลผ่านสายไฟในหนึ่งวินาทีเมื่อกระแสเท่ากับหนึ่งแอมแปร์ สำหรับไฟฟ้าสถิตนี่มากมายมหาศาล แต่สำหรับระบบไฟฟ้ากลับน้อยนิด ฟ้าผ่านำประจุไปหลายสิบคูลอมบ์ ส่วนประกายจากเสื้อไหมพรมใยสังเคราะห์นั้นเป็นเพียงไมโครคูลอมบ์ แบตเตอรี่โทรศัพท์เก็บประจุไว้ราวหนึ่งหมื่นหนึ่งพันคูลอมบ์ แต่นิยมนับกันเป็นมิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง ตั้งแต่ปี 2019 ห่วงโซ่กลับทิศ ประจุมูลฐานถูกตรึงไว้ด้วยจำนวนที่แน่นอน และหนึ่งคูลอมบ์เท่ากับ 6 241 509 074 460 762 607.776 ประจุมูลฐานพอดี
หวีที่ถูกับผมมีประจุราวหนึ่งในสิบของไมโครคูลอมบ์ คนที่เดินข้ามพรมมีราวหนึ่งไมโครคูลอมบ์ และเท่านั้นก็พอให้เกิดประกายยาวหนึ่งเซนติเมตร ประจุของเมฆฝนฟ้าคะนองขึ้นไปถึงหลายสิบคูลอมบ์ ส่วนฟ้าผ่าครั้งเดียวขนประจุไปห้าถึงสามสิบคูลอมบ์ ทุกสิ่งที่อิเล็กโทรสโคปแสดงให้เห็นอยู่ในระดับหนึ่งในพันล้านของหน่วย แรงระหว่างประจุแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทางและโตเร็วเสียจนวัตถุผลักกันออกไปนานก่อนที่จะมีอะไรสะสมมากพอให้เอ่ยถึง
02 · การแปลงหน่วย
ใส่ประจุ แล้วแผ่นข้อมูลจะกระจายให้เห็นทุกหน่วย
แอมแปร์-ชั่วโมงคือประจุเดียวกัน เพียงใช้ชั่วโมงแทนวินาที ตัวคูณคือ 3600 พอดี ส่วนฟาราเดย์คือประจุของอิเล็กตรอนหนึ่งโมล หน่วยของเคมีไฟฟ้า
ฟาราเดย์ผูกไฟฟ้าเข้ากับเคมี การจะแยกสารที่มีวาเลนซ์หนึ่งออกมาหนึ่งโมลที่ขั้วไฟฟ้า ต้องผ่านประจุ 96 485 คูลอมบ์ จากตรงนี้ค่าคงตัวฟาราเดย์ได้จากการคูณประจุของอิเล็กตรอนด้วยเลขอาโวกาโดร และตั้งแต่ปี 2019 ตัวประกอบทั้งสองแน่นอน ค่าคงตัวจึงแน่นอนไปด้วย งานชุบโลหะทั้งหมดตั้งอยู่บนกฎนี้ ความหนาของชั้นเคลือบคำนวณจากประจุที่ผ่านไป ไม่ใช่จากเวลาหรือแรงดัน
| หน่วย | ชื่อ | ค่า | พบที่ใด |
|---|---|---|---|
| C | คูลอมบ์ หน่วย SI | 1 | ฟิสิกส์ วิศวกรรมไฟฟ้า |
| mC | มิลลิคูลอมบ์ | 1000 | แฟลช เครื่องกระตุกหัวใจ |
| µC | ไมโครคูลอมบ์ | 1000000 | ไฟฟ้าสถิต |
| nC | นาโนคูลอมบ์ | 1·10⁹ | ไฟฟ้าสถิต ละอองฝุ่น |
| A·h | แอมแปร์-ชั่วโมง | 2.778·10⁻⁴ | แบตเตอรี่ ถ่านไฟฉาย |
| mA·h | มิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง | 0.2778 | โทรศัพท์ คอมพิวเตอร์พกพา |
| statC | แฟรงคลิน ระบบ CGS ไฟฟ้าสถิต | 2.998·10⁹ | ฟิสิกส์ทฤษฎีรุ่นเก่า |
| abC | แอบคูลอมบ์ ระบบ CGS แม่เหล็กไฟฟ้า | 0.1 | CGS แม่เหล็กไฟฟ้า |
| ฟาราเดย์ | ประจุของอิเล็กตรอนหนึ่งโมล | 1.036·10⁻⁵ | เคมีไฟฟ้า การชุบโลหะ |
| e | ประจุมูลฐาน | 6.242·10¹⁸ | ฟิสิกส์อะตอมและนิวเคลียร์ |
| A·h | แอมแปร์-ชั่วโมง | 2.778·10⁻⁴ | วิศวกรรมพลังงาน แบตเตอรี่ |
| C | คูลอมบ์ | 1 | หน่วยตั้งต้นของแผ่นข้อมูลนี้ |
แอมแปร์-ชั่วโมงคือประจุเดียวกัน เพียงใช้ชั่วโมงแทนวินาที ตัวคูณคือ 3600 พอดี ส่วนฟาราเดย์คือประจุของอิเล็กตรอนหนึ่งโมล หน่วยของเคมีไฟฟ้า
03 · อันดับของขนาด
จากอิเล็กตรอนถึงเมฆฝนฟ้าคะนองหนึ่งคูลอมบ์: หนึ่งแอมแปร์นานหนึ่งวินาที
04 · เครื่องมือวัด
วัดประจุด้วยอะไร
แผ่นทองสองแผ่นกางออกมากขึ้นตามประจุบนแกนร่วมที่มากขึ้น เครื่องนี้แสดงศักย์ไฟฟ้า ส่วนประจุได้จากการคูณด้วยความจุที่ทราบค่า จับเศษเสี้ยวของพิโกคูลอมบ์ได้และไม่กินกระแสเลย — จึงมีชีวิตอยู่มาตั้งแต่ศตวรรษที่สิบแปด
เซลล์แยกสลายด้วยไฟฟ้าซึ่งประจุที่ผ่านไปกลายเป็นมวลของโลหะที่ตกสะสม ชั่งขั้วก่อนและหลัง แล้วกฎของฟาราเดย์ก็ให้ค่าประจุ ช้าแต่สัมบูรณ์ ผลลัพธ์ไม่ขึ้นกับมาตรฐานทางไฟฟ้าใด ๆ เลย
เครื่องมือของคูลอมบ์เอง ลูกกลมมีประจุที่ปลายคานถูกลูกกลมที่ตรึงอยู่ผลักออก เส้นด้ายบิด และมุมที่หมุนไปให้ค่าแรง กฎกำลังสองผกผันตั้งขึ้นเช่นนี้ในปี 1785 — ด้วยการวัด ไม่ใช่การเดา
วงจรรวมในแบตเตอรี่วัดกระแสบนตัวต้านทานแยกกระแสอยู่ตลอดและบวกสะสมตามเวลา จึงได้ประจุที่ใช้ไป สิ่งที่แสดงเปอร์เซ็นต์แบตเตอรี่บนโทรศัพท์คือปริมาณนี้เอง ไม่ใช่แรงดัน — แม้ความคลาดเคลื่อนจะสะสมขึ้นเรื่อย ๆ และถูกล้างเป็นศูนย์เมื่อชาร์จเต็ม
05 · กฎการเขียน
C ตัวใหญ่ — แต่ไม่ใช่องศาเซลเซียส
สัญลักษณ์เดียวกันถูกใช้สองครั้งในระบบเอสไอ ไม่มีเครื่องหมายองศาคือประจุ มีเครื่องหมายคืออุณหภูมิ แอมแปร์-ชั่วโมงไม่ใช่หน่วยเอสไอแต่ยอมรับได้ในทางปฏิบัติ ต้องเขียนด้วยจุดคูณ A·h ไม่ใช่ Ah และไม่ใช่ A/h สัญลักษณ์ของปริมาณประจุคือ Q ตัวเอน ของหน่วยคือ C ตัวตรง ในการเขียน Q = 4.5 C ตัวเอนกับตัวตรงแยกความหมายออกจากกัน สัญลักษณ์ภาษารัสเซียคือ Кл ประจุเป็นลบได้ และเครื่องหมายเป็นส่วนหนึ่งของค่า อิเล็กตรอนคือ −1.6·10⁻¹⁹ C โปรตอนคือ +1.6·10⁻¹⁹ C ขนาดของทั้งสองเท่ากันพอดี
สัญลักษณ์ของปริมาณประจุคือ Q ตัวเอน ของหน่วยคือ C ตัวตรง ในสูตร Q = 4.5 C ตัวเอนกับตัวตรงเป็นตัวแบ่งความหมาย สัญลักษณ์ภาษารัสเซียคือ Кл แอมแปร์-ชั่วโมงเขียนด้วยจุดกลางบรรทัดหรือเว้นวรรคระหว่างสัญลักษณ์ ไม่เขียนติดกันเด็ดขาด A·h ไม่ใช่ Ah ส่วน c ตัวเล็กเดี่ยว ๆ คือคำอุปสรรคเซนติและสัญลักษณ์ของความเร็วแสง ซึ่งไม่เกี่ยวกับประจุเลย
06 · หน่วยข้างเคียง
คูลอมบ์ยืนอยู่ระหว่างกระแสกับแรงดัน กระแสคือประจุต่อวินาที ความจุคือประจุต่อโวลต์ ความสัมพันธ์ทั้งสองเขียนได้ในบรรทัดเดียว
ใน แผ่นข้อมูลของ Simetrium ที่อยู่ติดกับคูลอมบ์คือ แอมแปร์ ซึ่งประจุต่อวินาทีของมันก็คือคูลอมบ์นั่นเอง ฟารัด และ โวลต์ ที่มาจากสูตรเดียวกัน แอมแปร์-ชั่วโมง ในฐานะมาตรในชีวิตประจำวันของประจุเดียวกัน และ โมล ซึ่งประจุเชื่อมกับปริมาณสารผ่านหน่วยนี้
07 · ภาคประวัติ
ประจุที่มนุษย์นับเป็นก่อนที่จะเข้าใจ
ชาร์ล คูลอมบ์ แขวนคานไว้กับเส้นเงินบาง แล้ววัดแรงระหว่างลูกกลมมีประจุจากมุมที่บิดไป ความสัมพันธ์แบบผกผันกับกำลังสองของระยะทางออกมาจากการทดลอง แม้จะเคยมีผู้คาดเดาไว้ก่อนแล้วก็ตาม
ที่ประชุมช่างไฟฟ้านานาชาติแจกชื่อให้หลายหน่วยพร้อมกัน โวลต์ แอมแปร์ โอห์ม คูลอมบ์ และฟารัด เกิดขึ้นในปีเดียวกัน ประจุถูกนิยามผ่านกระแส ไม่ใช่ในทางกลับกัน เพราะกระแสวัดได้ง่ายกว่า
โรเบิร์ต มิลลิแกน พยุงหยดน้ำมันที่มีประจุไว้ด้วยสนามไฟฟ้า และพบว่าประจุของหยดเหล่านั้นเป็นจำนวนเท่าของปริมาณเดียว ความไม่ต่อเนื่องของประจุจึงได้รับการพิสูจน์ และค่าประจุมูลฐานก็ถูกพบ — โดยคลาดเคลื่อนไปครึ่งเปอร์เซ็นต์เพราะใช้ค่าความหนืดของอากาศผิด ส่วนคูลอมบ์สากลนั้นกำหนดด้วยคูลอมบ์มิเตอร์เงิน คือประจุที่ทำให้เงินตกสะสม 1.118 มิลลิกรัม ต่างจากค่าปัจจุบันในหลักที่ห้า
แอมแปร์ถูกนิยามใหม่ด้วยประจุของอิเล็กตรอนที่ตรึงค่าไว้ และคูลอมบ์ก็ได้มาตรที่สองที่แน่นอน คือจำนวนเต็มของประจุมูลฐาน นิยามเก่าของแอมแปร์ที่อาศัยแรงระหว่างตัวนำจากไป พร้อมกับค่าคงตัวแม่เหล็กซึ่งเลิกเป็นค่าที่แน่นอน
หน่วยที่ไม่มีต้นแบบ และไม่จำเป็นต้องมี
ประจุเก็บไว้ไม่ได้ คูลอมบ์ที่สะสมไว้จะรั่วออกไปทางฉนวน ทางอากาศ และทางผิวของตัวมันเองภายในไม่กี่ชั่วโมง ด้วยเหตุนี้ต้นแบบของคูลอมบ์ในรูปวัตถุจึงไม่มีและไม่เคยมี หน่วยนี้ทำให้เป็นจริงด้วยการวัดกระแสตลอดช่วงเวลาหนึ่ง และตั้งแต่ปี 2019 ก็ด้วยการนับอิเล็กตรอนด้วย ปั๊มอิเล็กตรอนเดี่ยวส่งอิเล็กตรอนผ่านจุดควอนตัมทีละตัวต่อหนึ่งจังหวะ หนึ่งพันล้านจังหวะต่อวินาทีให้กระแสราวหนึ่งร้อยหกสิบพิโกแอมแปร์ ด้วยความแม่นยำที่วิธีดั้งเดิมเอื้อมไม่ถึง ส่วนการปิดสามเหลี่ยมโวลต์-แอมแปร์-โอห์มด้วยปรากฏการณ์ควอนตัมเพื่อให้ได้คูลอมบ์จากทางที่สามอย่างเป็นอิสระนั้น นักมาตรวิทยายังทำไม่สำเร็จ ความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ระดับหนึ่งในพันล้าน และนั่นเองคือสิ่งที่กำหนดขีดจำกัดความแม่นยำของการวัดทางไฟฟ้าในวันนี้
สารบัญ · หน่วยวัด
แผ่นข้อมูลสำหรับทุกปริมาณ
หน่วยฐานเอสไอเจ็ดหน่วย หน่วยอนุพัทธ์ที่มีชื่อเฉพาะยี่สิบสองหน่วย และหน่วยนอกระบบที่ทั้งงานช่างและชีวิตประจำวันขาดไม่ได้ แต่ละหน่วยมีแผ่นของตน คือ นิยาม การแปลงหน่วย เครื่องมือ และกฎการเขียน ใน 30 ภาษา
หน่วยอนุพัทธ์เอสไอที่มีชื่อเฉพาะ
เปิดแผ่นข้อมูลของคูลอมบ์อยู่หน่วยฐานเอสไอ
สีดินเผาคือแอมแปร์และวินาที ซึ่งประกอบกันขึ้นเป็นคูลอมบ์ประจุในระบบหน่วยอื่น
ภาษาของแผ่นข้อมูล
30 ภาษา สัญลักษณ์ C เป็นสากล แต่หน่วยที่ใช้วัดประจุในชีวิตประจำวันต่างกันไป บางประเทศระบุความจุแบตเตอรี่เป็นมิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง บางประเทศเป็นวัตต์-ชั่วโมง