Főnév
coulomb (tsz. coulombs)
- (informatika) A coulomb (jele: C) az elektromos töltés SI (Nemzetközi Mértékegységrendszer) szerinti mértékegysége. A coulomb a villamos töltés mennyiségét fejezi ki, és szoros kapcsolatban áll az árammal, az elektromos mezőkkel, a potenciálkülönbséggel, valamint a kvantumfizika és elektrosztatika alapjelenségeivel. A coulomb alapvető szerepet tölt be az elektromosság és elektrodinamika területén, és gyakorlati jelentősége is rendkívül nagy.
1. A coulomb definíciója
A coulomb hivatalos SI-definíciója:
1 coulomb az az elektromos töltés, amely 1 másodperc alatt halad át egy vezető keresztmetszetén, ha az áramerősség 1 amper.
Ez a definíció a következőképpen írható fel:
👁 {\displaystyle 1\ \mathrm {C} =1\ \mathrm {A} \cdot 1\ \mathrm {s} }
Ez tehát azt jelenti, hogy ha 1 amper erősségű áram 1 másodpercig folyik, akkor az áthaladó töltésmennyiség 1 coulomb. Ez az összefüggés az elektromos áram és a töltés kapcsolatának alapja.
2. A coulomb nevéről
A coulomb nevét Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806) francia fizikus és mérnök után kapta, aki a 18. század végén felfedezte az elektromos töltések közötti erőhatás törvényét, azaz a Coulomb-törvényt.
Coulomb munkássága meghatározó volt az elektrosztatika fejlődésében, és ő volt az első, aki kísérletileg kimutatta, hogy az elektromos erő két pontszerű töltés között arányos a töltések szorzatával és fordítottan arányos a távolságuk négyzetével.
3. Az elemi töltés és a coulomb
Az egyik legfontosabb kapcsolat a coulomb és az elemi töltés között van. Az elemi töltés (jele: e) az elektron (vagy proton) abszolút töltésének nagysága:
👁 {\displaystyle e=1.602\,176\,634\times 10^{-19}\ \mathrm {C} }
Ez azt jelenti, hogy:
👁 {\displaystyle 1\ \mathrm {C} \approx 6.242\times 10^{18}\ {\text{elektron töltésének felel meg}}}
A coulomb tehát óriási mennyiségű töltést jelent az atomi szinten. Ez az érték a 2019-es SI-definíciók reformja óta rögzített, mivel az elemi töltés értékét fixként határozták meg.
4. Elektrosztatikai törvények coulombban
4.1 Coulomb-törvény
Két töltés között fellépő elektrosztatikus erő:
👁 {\displaystyle F=k\cdot {\frac {|q_{1}\cdot q_{2}|}{r^{2}}}}
ahol:
- 👁 {\textstyle F}
az erő (newton), - 👁 {\textstyle q_{1},q_{2}}
a két töltés (coulomb), - 👁 {\textstyle r}
a távolság (méter), - 👁 {\textstyle k}
a Coulomb-állandó:
Ez a törvény az elektromosságtan egyik alaptörvénye, és megmutatja, hogy a coulombban mért töltések milyen erővel hatnak egymásra.
5. Kapcsolódó elektromos mennyiségek
| Mennyiség | Jel | SI-egység | Kapcsolat |
|---|---|---|---|
| Elektromos töltés | 👁 {\textstyle Q} |
coulomb (C) | 👁 {\textstyle Q=I\cdot t} |
| Áramerősség | 👁 {\textstyle I} |
amper (A) | 👁 {\textstyle I={\frac {Q}{t}}} |
| Feszültség (potenciálkülönbség) | 👁 {\textstyle U} |
volt (V) | 👁 {\textstyle W=Q\cdot U} |
| Kapacitás | 👁 {\textstyle C} |
farad (F) | 👁 {\textstyle Q=C\cdot U} |
| Mágneses fluxus | weber (Wb) | 1 Wb = 1 V·s |
6. Elektromos mező és coulomb
Az elektromos tér egy adott ponton a coulombonként ható erő mértéke, azaz az elektromos térerősség definíciója:
👁 {\displaystyle E={\frac {F}{q}}}
ahol 👁 {\textstyle F}
az erő, 👁 {\textstyle q}
a töltés. Az SI-egység:
👁 {\displaystyle \mathrm {V/m} =\mathrm {N/C} }
Ez is megmutatja, hogy a coulomb az elektromos kölcsönhatások mértéke.
7. A coulomb gyakorlati alkalmazása
7.1 Elektromos áramkörök
- Egy 1 amperes áram egy másodperc alatt 1 coulomb töltést mozgat.
- Egy 1000 mAh-s telefonakku 3.6 V feszültségen kb. 13 000 C töltést tárol (1 Ah = 3600 C).
7.2 Elektrosztatikus kisülés (ESD)
- Egy emberi test által felhalmozott elektrosztatikus töltés gyakran néhány nano- vagy mikro-coulomb, de feszültsége akár több ezer volt lehet.
7.3 Kondenzátorok
- Egy kondenzátor töltése coulombban számolható: 👁 {\textstyle Q=C\cdot U}
, pl. egy 100 µF kondenzátor 5 V-on: 👁 {\textstyle Q=100\cdot 10^{-6}\cdot 5=5\cdot 10^{-4}\ \mathrm {C} }
8. Prefixumok a coulombhoz
| Előtag | Jel | Érték |
|---|---|---|
| millicoulomb | mC | 👁 {\textstyle 10^{-3}\ \mathrm {C} } |
| microcoulomb | µC | 👁 {\textstyle 10^{-6}\ \mathrm {C} } |
| nanocoulomb | nC | 👁 {\textstyle 10^{-9}\ \mathrm {C} } |
| picocoulomb | pC | 👁 {\textstyle 10^{-12}\ \mathrm {C} } |
| kilocoulomb | kC | 👁 {\textstyle 10^{3}\ \mathrm {C} } |
Például a villámcsapás során áthaladó töltés gyakran több tíz-kilocoulomb is lehet.
9. Coulomb a kvantumfizikában
- Az elemi töltés 👁 {\textstyle e}
a kvantumos elektromos töltés egysége. - Az áramerősség diszkrét töltések mozgásából áll: az áram tehát „elektronáramlás” (töltésáramlás).
- A kvantum-elektrodinamika (QED) alapegységei közé tartozik a coulomb, amelyből felépíthetők más elektromos mennyiségek.
10. Összefoglalás
A coulomb (C) az elektromos töltés alapmértékegysége az SI-rendszerben. Ez az egység a villamos töltés mennyiségét méri, és szoros kapcsolatban áll az áramerősséggel, a feszültséggel, az elektromos munkával, az erőkkel, és a villamos mezőkkel. Egyetlen coulomb hatalmas mennyiségű elemi töltést jelent: több mint 6 kvintillió elektron töltése.
A coulomb nélkülözhetetlen egység az elektromosságtanban, elektronikában, energetikában, elektrosztatikában, sőt, a kvantumfizikában is. Akár egy okostelefon akkumulátorát töltjük, akár egy nagy teljesítményű kondenzátort vizsgálunk, vagy egy villámcsapás során keletkező töltést számolunk — a coulomb az a nyelv, amelyen az elektromos világot értelmezzük.
