Coulomb

Rozbalit box

Obsah boxu

Coulomb (symbol C) je hlavní jednotka elektrického náboje v soustavě SI. Je pojmenována na počest francouzského fyzika Charlese-Augustina de Coulomba (1736–1806), který jako první formuloval Coulombův zákon popisující sílu působící mezi elektrickými náboji.

Jeden coulomb je definován jako celkový náboj, který projde vodičem, jímž protéká stálý elektrický proud jednoho ampéru po dobu jedné sekundy. Jedná se o odvozenou jednotku SI, kterou lze vyjádřit pomocí základních jednotek jako ampérsekunda (A·s).

📜 Historie a definice

Pojem elektrického náboje a snahy o jeho kvantifikaci sahají až do 18. století. Práce vědců jako Benjamin Franklin nebo právě Charles-Augustin de Coulomb položily základy elektrostatiky. Coulomb pomocí svých torzních vah přesně změřil síly mezi nabitými tělesy a formuloval zákon, který nese jeho jméno.

Jednotka coulomb byla formálně zavedena v roce 1881 na Mezinárodním elektrickém kongresu v Paříži jako součást praktické soustavy jednotek CGS.

🏛️ Starší definice (před rokem 2019)

Před redefinicí základních jednotek SI v roce 2019 byl coulomb definován nepřímo prostřednictvím ampéru. Ampér byl definován na základě silového působení mezi dvěma nekonečně dlouhými, rovnoběžnými vodiči ve vakuu. Coulomb byl poté definován jako náboj, který projde průřezem vodiče za jednu sekundu při proudu jednoho ampéru. Tato definice byla závislá na mechanickém měření síly, což omezovalo její přesnost.

🏛️ Současná definice (od roku 2019)

S platností od 20. května 2019 došlo k zásadní změně v definicích základních jednotek SI. Nově je definice založena na fixaci hodnoty fundamentální fyzikální konstanty – elementárního náboje e (náboj jednoho protonu, resp. absolutní hodnota náboje jednoho elektronu).

Hodnota elementárního náboje byla stanovena jako přesná:

e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C

Z této definice je následně odvozen coulomb:

1 C = 1 / (1,602 176 634 × 10⁻¹⁹) e

To znamená, že jeden coulomb odpovídá náboji přibližně 6,241 509 074 × 10¹⁸ elementárních nábojů. Tato nová definice je mnohem přesnější a stabilnější, protože není závislá na experimentálním uspořádání, ale na neměnné přírodní konstantě. Z této definice je následně odvozen i ampér.

⚙️ Vlastnosti a převody

Coulomb je koherentní jednotkou v soustavě SI a je přímo spojen s dalšími elektrickými a fyzikálními jednotkami.

• Vztah k ampéru a sekundě: Základní vztah definuje náboj (Q) pomocí proudu (I) a času (t):

   :Q = I ⋅ t
   :1 C = 1 A ⋅ 1 s

• Vztah k faradu a voltu: V kontextu kondenzátorů je coulomb náboj, který při napětí jednoho voltu vytvoří na kondenzátoru kapacitu jednoho faradu.

   :Q = Ckapacita ⋅ U
   :1 C = 1 F ⋅ 1 V

• Vztah k joulu a voltu: Vztah k práci a energii je dán definicí voltu. Jeden joule práce je vykonán při přemístění náboje jednoho coulombu v elektrickém poli o potenciálním rozdílu jednoho voltu.

   :W = Q ⋅ U
   :1 J = 1 C ⋅ 1 V

🔄 Převody na jiné jednotky

V praxi, zejména u baterií a akumulátorů, se často používá jednotka ampérhodina (Ah) nebo miliampérhodina (mAh).

• 1 Ah = 3 600 C (protože 1 hodina = 3 600 sekund)
• 1 mAh = 3,6 C

Další historickou jednotkou je Faradayova konstanta, která představuje náboj jednoho molu elektronů.

• 1 mol elektronů ≈ 96 485 C

V atomové a částicové fyzice se jako jednotka náboje používá elementární náboj (e).

• 1 C ≈ 6,241 509 × 10¹⁸ e

🌍 Praktické příklady a řády velikosti

Jeden coulomb je z hlediska běžné elektrostatiky velmi velká jednotka náboje. Dva bodové náboje o velikosti +1 C umístěné ve vakuu jeden metr od sebe by se odpuzovaly silou přibližně 9 × 10⁹ newtonu, což odpovídá tíze tělesa o hmotnosti přibližně 900 000 tun.

• Náboj jednoho elektronu: −1,602 × 10⁻¹⁹ C
• Náboj jednoho protonu: +1,602 × 10⁻¹⁹ C
• Náboj, který vznikne třením skleněné tyče o hedvábí, je v řádu nanocooulombů (nC) až mikrocooulombů (μC).
• Typický blesk přenese náboj v řádu desítek coulombů (např. 15–30 C).
• Běžná 1,5V tužková baterie (alkalická) s kapacitou 2000 mAh má celkový náboj 2000 mAh = 2 Ah = 7 200 C.
• Akumulátor v moderním chytrém telefonu s kapacitou 4000 mAh má náboj 4 Ah = 14 400 C.
• Standardní 100wattová žárovka napájená ze sítě 230 V odebírá proud přibližně 0,43 A. Za jednu hodinu jí projde náboj cca 0,43 A × 3600 s ≈ 1 560 C.

💡 Pro laiky

Představte si elektrický proud jako vodu tekoucí hadicí.

• Proud (měřený v ampérech) je množství vody, které proteče hadicí každou sekundu. Je to tedy "rychlost toku".
• Náboj (měřený v coulombech) je celkové množství vody, které hadicí proteklo za určitý čas.

Pokud hadicí teče voda rychlostí jednoho litru za sekundu (to by byl náš "jeden ampér"), a necháte ji téct po dobu jedné sekundy, proteče celkem jeden litr vody. Tento jeden litr je v naší analogii "jeden coulomb". Pokud by voda tekla deset sekund, proteklo by celkem deset litrů, tedy "deset coulombů".

Coulomb je tedy jednoduše "balíček" elektrického náboje. Všechny elektrické jevy, od jiskry statické elektřiny až po napájení města, jsou způsobeny pohybem nebo nahromaděním těchto "balíčků" náboje. Jeden coulomb je obrovský balík, který obsahuje více než šest trilionů (6 × 10¹⁸) jednotlivých elektronů.

Šablona:Aktualizováno