Coulomb
Đơn vị dẫn xuất SI · đại lượng: điện tích
01 · Định nghĩa
Coulomb treo một quả cầu nhỏ mang điện lên sợi chỉ mảnh và đo lực đẩy theo góc xoắn. Định luật giữ cho cả tĩnh điện học đứng vững đã được tìm ra như thế.
Một coulomb là điện tích đi qua dây dẫn trong một giây với dòng một ampe. Với tĩnh điện thì đó là rất nhiều, còn với lưới điện lại quá ít: một tia sét mang theo hàng chục coulomb, trong khi cú phóng điện từ chiếc áo len sợi tổng hợp chỉ là microcoulomb. Pin điện thoại chứa khoảng mười một nghìn coulomb, dù người ta quen đếm chúng bằng miliampe-giờ. Từ năm 2019 sợi dây xích đã đảo chiều: điện tích nguyên tố được ấn định bằng một con số chính xác, và một coulomb nay đúng bằng 6 241 509 074 460 762 607,776 điện tích nguyên tố.
Chiếc lược cọ vào tóc mang chừng một phần mười microcoulomb; một người vừa đi qua tấm thảm mang khoảng một microcoulomb, và chừng ấy đã đủ cho một tia lửa dài một xentimét. Điện tích của đám mây dông lên tới vài chục coulomb, còn một cú sét mang theo từ năm đến ba mươi. Tất cả những gì tĩnh điện kế chỉ ra đều nằm ở mức phần tỉ của đơn vị: lực giữa các điện tích tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và lớn lên nhanh đến mức các vật đẩy nhau ra từ rất lâu trước khi tích được chút gì đáng kể.
02 · Quy đổi
Nhập một điện tích — phiếu sẽ trải nó ra theo mọi đơn vị
Ampe-giờ vẫn là điện tích ấy, chỉ thay giây bằng giờ: hệ số đúng bằng 3600. Faraday là điện tích của một mol electron, đơn vị của điện hóa học.
Faraday buộc điện vào hóa: muốn tách ra trên điện cực một mol chất hóa trị một thì phải cho đi qua 96 485 coulomb. Từ đó hằng số Faraday ra bằng tích của điện tích electron với số Avogadro, và từ năm 2019 cả hai thừa số đều chính xác — vậy nên chính nó cũng chính xác. Cả nghề mạ điện đứng trên định luật này: bề dày lớp mạ tính theo điện tích đã đi qua, không theo thời gian hay điện áp.
| Đơn vị | Tên | Giá trị | Gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| C | coulomb, đơn vị SI | 1 | vật lý, kỹ thuật điện |
| mC | milicoulomb | 1000 | đèn chớp, máy khử rung tim |
| µC | microcoulomb | 1000000 | tĩnh điện |
| nC | nanocoulomb | 1·10⁹ | tĩnh điện học, hạt bụi |
| A·h | ampe-giờ | 2,778·10⁻⁴ | ắc quy, pin |
| mA·h | miliampe-giờ | 0,2778 | điện thoại, máy tính xách tay |
| statC | franklin, hệ CGS tĩnh điện | 2,998·10⁹ | vật lý lý thuyết thời trước |
| abC | abcoulomb, hệ CGS điện từ | 0,1 | CGS điện từ |
| faraday | điện tích của một mol electron | 1,036·10⁻⁵ | điện hóa, mạ điện |
| e | điện tích nguyên tố | 6,242·10¹⁸ | vật lý nguyên tử và hạt nhân |
| A·h | ampe-giờ | 2,778·10⁻⁴ | kỹ thuật năng lượng, ắc quy |
| C | coulomb | 1 | đơn vị xuất phát của phiếu này |
Ampe-giờ vẫn là điện tích ấy, chỉ thay giây bằng giờ: hệ số đúng bằng 3600. Faraday là điện tích của một mol electron, đơn vị của điện hóa học.
03 · Bậc độ lớn
từ electron đến đám mây dôngMột coulomb: một ampe trong một giây
04 · Dụng cụ đo
Đo điện tích bằng gì
Hai lá vàng xòe ra càng rộng khi điện tích trên thanh chung càng lớn. Máy chỉ ra điện thế, còn điện tích thì có được bằng cách nhân với một điện dung đã biết. Nó bắt được từng phần nhỏ của picocoulomb mà không rút chút dòng nào — nhờ vậy mà sống từ thế kỷ mười tám đến giờ.
Một bình điện phân, trong đó điện tích đã đi qua biến thành khối lượng kim loại kết tủa. Cân điện cực trước và sau, rồi định luật Faraday cho ra điện tích. Chậm, bù lại là tuyệt đối: kết quả không phụ thuộc vào bất kỳ chuẩn điện nào.
Chính là máy của Coulomb: quả cầu mang điện ở đầu đòn bị quả cầu cố định đẩy ra, sợi chỉ xoắn lại, và góc quay cho ra lực. Định luật nghịch đảo bình phương được xác lập như thế vào năm 1785 — bằng phép đo, không phải bằng phỏng đoán.
Một vi mạch trong pin đo liên tục dòng trên điện trở song song rồi cộng dồn theo thời gian, thu được điện tích đã dùng. Chính đại lượng này, chứ không phải điện áp, hiện lên thành phần trăm pin trên điện thoại — có điều sai số cứ dồn lại, và được đặt về không khi sạc đầy.
05 · Quy tắc viết
Chữ C hoa — nhưng không phải độ Celsius
Cùng một ký hiệu bị chiếm hai lần trong SI: không có dấu độ thì là điện tích, có dấu độ thì là nhiệt độ. Ampe-giờ không phải đơn vị SI nhưng được chấp nhận trong thực hành; phải viết với dấu chấm nhân: A·h, chứ không phải Ah cũng không phải A/h. Ký hiệu của đại lượng điện tích là Q nghiêng, của đơn vị là C đứng: trong Q = 4,5 C, chữ nghiêng và chữ đứng tách hai nghĩa ra. Ký hiệu tiếng Nga là Кл. Điện tích có thể âm, và dấu là một phần của giá trị: −1,6·10⁻¹⁹ C ở electron, +1,6·10⁻¹⁹ C ở proton. Độ lớn của chúng trùng nhau chính xác.
Ký hiệu của đại lượng điện tích là Q nghiêng, của đơn vị là C đứng: trong công thức Q = 4,5 C, chữ nghiêng và chữ đứng gánh sự phân biệt. Ký hiệu tiếng Nga là Кл. Ampe-giờ viết với dấu chấm giữa dòng hoặc khoảng trắng giữa các ký hiệu, không bao giờ dính liền: A·h, chứ không phải Ah. Chữ c thường đứng một mình là tiền tố xenti- và ký hiệu của tốc độ ánh sáng, chẳng liên quan gì đến điện tích.
06 · Các đơn vị lân cận
Coulomb đứng giữa dòng điện và điện áp: dòng điện là điện tích trên giây, điện dung là điện tích trên vôn. Cả hai liên hệ đều gọn trong một dòng.
Trong các phiếu của Simetrium đứng kề coulomb là ampe, mà điện tích trên giây của nó chính là coulomb, fara và vôn ra từ cùng một công thức, ampe-giờ như thước đo đời thường của cùng điện tích ấy, và mol, qua đó điện tích nối với lượng chất.
07 · Phần lịch sử
Điện tích mà người ta biết đếm trước khi hiểu nó
Charles Coulomb treo một đòn cân lên sợi bạc mảnh và đo lực giữa những quả cầu mang điện theo góc xoắn. Quan hệ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đi ra từ thí nghiệm, dù trước đó đã có người phỏng đoán.
Đại hội quốc tế các nhà điện học phát tên cho nhiều đơn vị cùng lúc: vôn, ampe, ôm, coulomb và fara xuất hiện trong cùng một năm. Điện tích được định nghĩa qua dòng điện chứ không ngược lại — đo dòng thì dễ hơn.
Robert Millikan giữ những giọt dầu mang điện cân bằng trong điện trường và phát hiện điện tích của chúng đều là bội của một đại lượng duy nhất. Tính rời rạc của điện tích được chứng minh như vậy, và giá trị của điện tích nguyên tố cũng được tìm ra — sai nửa phần trăm vì lấy nhầm độ nhớt của không khí. Còn coulomb quốc tế thì được định bằng coulomb kế bạc: điện tích làm kết tủa 1,118 miligam bạc. Nó lệch với giá trị ngày nay ở chữ số thứ năm.
Ampe được định nghĩa lại qua một điện tích electron cố định, và coulomb nhận thêm thước đo thứ hai, chính xác: một số nguyên các điện tích nguyên tố. Định nghĩa cũ của ampe dựa trên lực giữa các dây dẫn ra đi cùng với hằng số từ, thứ đã thôi là chính xác.
Đơn vị không có chuẩn vật thể — và cũng không cần
Điện tích không giữ lại được: mọi coulomb gom được đều rò đi qua lớp cách điện, qua không khí và qua chính bề mặt của nó trong vài giờ. Vì thế chuẩn của coulomb dưới dạng một vật thể không tồn tại và chưa từng tồn tại — đơn vị được hiện thực hóa bằng cách đo dòng trong một khoảng thời gian, và từ năm 2019 còn bằng cách đếm electron. Bơm một electron đẩy qua chấm lượng tử mỗi nhịp một electron: một tỉ nhịp mỗi giây cho dòng chừng một trăm sáu mươi picoampe, biết với độ chính xác mà các phương pháp cổ điển không với tới. Còn việc khép tam giác vôn — ampe — ôm bằng hiệu ứng lượng tử để có coulomb theo con đường thứ ba độc lập thì giới đo lường vẫn chưa làm được: các sai lệch nằm ở mức phần tỉ, và chính chúng hôm nay vạch ra giới hạn độ chính xác của các phép đo điện.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng, và những đơn vị ngoài hệ mà cả kỹ thuật lẫn đời thường đều không thể thiếu. Mỗi đơn vị một tờ riêng: định nghĩa, quy đổi, dụng cụ, quy tắc viết. Bằng 30 ngôn ngữ.
Đơn vị dẫn xuất SI có tên riêng
phiếu của coulomb đang mởĐơn vị cơ bản của SI
màu đất nung — ampe và giây, những thứ làm nên coulombĐiện tích trong các hệ khác
Ngôn ngữ của phiếu
30 ngôn ngữ. Ký hiệu C mang tính quốc tế, nhưng thước đo đời thường của điện tích thì khác nhau: có nước ghi dung lượng pin bằng miliampe-giờ, có nước ghi bằng oát-giờ.