Кулон, в чем измеряется: единица заряда в физике

Электричество - таинственная и мощная сила природы. Без него невозможна современная цивилизация. Но что такое электрический заряд? Как его измерить в физике? Узнайте в этой статье про кулон - единицу измерения количества электричества.

История открытия кулона как единицы заряда

В 1881 году на Первом Международном конгрессе электриков в Париже кулон впервые был принят в качестве единицы измерения электрического заряда. Цитата из документов конгресса гласит: " Постановили утвердить в качестве единицы количества электричества термин "кулон" .

Единица была названа в честь выдающегося французского ученого Шарля Кулона, открывшего одноименный закон взаимодействия электрических зарядов. В этом законе Кулона и применяется понятие электрического заряда, который теперь стали измерять в кулонах.

В Международную систему единиц (СИ) кулон был введен в 1960 году решением XI Генеральной конференции по мерам и весам, одновременно с официальным утверждением системы СИ.

Определение кулона через другие единицы СИ

Кулон определяется через две другие основные единицы СИ - ампер и секунду. Формула выглядит следующим образом:

1 Кл = 1 А · с

То есть 1 кулон - это заряд, который проходит через проводник за 1 секунду при силе тока в 1 ампер.

Также кулон связан соотношением с внесистемной единицей ампер-час:

1 Кл = 1 / 3600 ампер-часа

В системе СГС, альтернативной системе СИ, заряд измеряется в единицах франклин или статкулон. Соотношение с кулоном таково:

1 франклин	=	3⋅10⁹ Кл
1 статкулон	=	3⋅10^-10 Кл

Элементарный заряд и значение 1 кулона

С точностью до знака элементарный электрический заряд (равный заряду электрона или позитрона) составляет:

1,602 176 634⋅10^-19 Кл

Исходя из этого, 1 кулон содержит заряд:

6 241 509 074 460 762 608 электронов

Если бы два носителя по 1 Кл заряда каждый расположили в вакууме на 1 метр друг от друга, они бы отталкивались с огромной силой в:

9⋅10⁹ Ньютонов

Поэтому на практике чаще применяют дольные кулоны: милликулоны (10^-3 Кл) и микрокулоны (10^-6 Кл).

Электрический заряд и электричество

Электрический заряд представляет собой физическую скалярную величину, которая определяет способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Природа возникновения заряда связана со строением атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра (протоны) и отрицательно заряженных электронов. При избытке или недостатке электронов появляется соответственно положительный или отрицательный заряд.

Существует закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе заряд не может возникнуть из ничего или исчезнуть бесследно. Он может только перераспределиться между телами.

Измерение заряда на практике

Для измерения величины заряда используют специальные приборы - электроскоп и электрометр. Первый служит только для качественного определения наличия заряда, а второй позволяет количественно оценить величину заряда.

Принцип работы электроскопа и электрометра

Принцип работы электроскопа основан на силах электростатического отталкивания одноименных зарядов. При поднесении заряженного тела к электроскопу, его полые обкладки и стрелка приобретают такой же заряд и начинают отталкиваться, отклоняя стрелку.

В электрометре дополнительно измеряют угол отклонения стрелки при помощи шкалы. По градуировочному графику затем определяют численное значение заряда в кулонах, которыми он измеряется.

Кулон применяется для измерения различных электрических величин

Помимо непосредственного измерения кулон чем измеряется заряда, эта единица используется также для выражения других электрических величин. К примеру, электрическое напряжение измеряют в вольтах, определяемых как:

1 В = 1 Кл / 1 А·с

А емкость конденсатора рассчитывают в фарадах:

1 Ф = 1 Кл / 1 В

Закон Кулона формулируется через заряды в кулонах

Сам закон Кулона оперирует понятием электрического заряда Q, численно выражаемого в кулонах. Формула закона Кулона имеет вид:

F = k·Q1·Q2/r2

Где F - сила взаимодействия зарядов в ньютонах, Q1 и Q2 - величины зарядов в кулонах, r - расстояние между зарядами в метрах, k - коэффициент пропорциональности.

Интересные исторические факты о кулоне

Кулон как единица появился не на пустом месте. До этого ученые также пытались количественно оценить электрические явления. Например, в 1700-х годах использовалась единица измерения заряда под названием "бутылка Лейдена". Она была равна заряду, накапливаемому стеклянной бутылкой определенного размера при заданном напряжении.

Способы генерирования электрического заряда

Существует несколько основных способов получения электрического заряда:

Трение материалов об определенные вещества, например, шелка о эбонит. При трении часть электронов переходит от одного материала к другому.
Воздействие на вещество ионизирующего излучения. Под его действием электроны выбиваются из атомов, и вещество заряжается.
Электрическая индукция. При приближении заряженного тела к электропроводящему, в последнем возникают электрические заряды противоположного знака.

Заряд в природе и технике

Электрический заряд играет важную роль как в природных явлениях, так и в работе технических устройств:

Молнии возникают благодаря разделению зарядов в грозовом облаке
Перенос заряда ионами обеспечивает проводимость жидкостей и газов
В основе работы электронных ламп, диодов, транзисторов лежит управление потоками заряженных частиц

Заряд и здоровье человека

Накопление заряда человеческим телом может приводить как к положительным, так и отрицательным последствиям для здоровья. С одной стороны, заряд стимулирует кровообращение и обменные процессы. С другой стороны, сильные разряды опасны для организма.

Перспективы исследований заряда

Основные фундаментальные законы электричества давно известны. Тем не менее, многие детали природы и поведения заряженных частиц до конца не ясны. В частности, в последнее время активно изучается плазма - четвертое состояние вещества, где атомы полностью ионизированы.