¿Alguien ha cargado un objeto con 1 culombio? ¿Por qué se eligió una carga tan ridículamente grande como unidad de carga?

Question

El hecho de que dos bolas cargadas con 1 culombio cada una se repelieran/atrajeran desde una distancia de 1 metro con una fuerza suficiente para elevar el Gigante del mar me sugeriría lo contrario, pero ¿alguien ha cargado alguna vez un objeto con 1 culombio de carga neta?

¿Por qué se eligió una carga tan ridículamente grande como unidad de carga? O mejor, ¿por qué le dimos a la constante de Coulomb un valor tan grande en lugar de utilizar un valor del mismo orden de magnitud que la constante de Newton ( $10^{-11}$ )?

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Para conocer las razones históricas que explican por qué se eligió el culombio como unidad de carga, consulte las buenas respuestas dadas a esta pregunta.

Después de un poco de investigación he encontrado que el voltaje más alto jamás creado es $32\,\mathrm{MV}$ en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Con semejante voltaje, lo mejor que podemos hacer es cargar una esfera de cobre del tamaño de una pelota de baloncesto con unas 424 microculombios:

$$Q = 32 \times 10^6\,\mathrm{V} \times 4\pi\epsilon_0 \times 0.119\,\mathrm{m} = 4.237 \times 10^{-4}\,\mathrm{C}$$

Tal esfera, cuando se coloca a una distancia de $1\,\mathrm{m}$ de la superficie de una esfera con carga similar, experimentaría una repulsión de $1052\,\mathrm{N}$ (la fuerza necesaria para levantar $107\,\mathrm{kg}$ ).

Si la tensión máxima a la que podemos acceder es $32\,\mathrm{MV}$ y queremos cargar una esfera con $1\,\mathrm{C}$ todo lo que necesitamos es una esfera $561.7\,\mathrm{m}$ de diámetro. A menudo puede nevar en la parte superior.

Answer 1

En realidad, el amperio (unidad del SI para la corriente eléctrica) se definió primero (en 1881, véase Wikipedia: Amperio - Historia ). Eligieron este tamaño para $1$ amperio, probablemente porque en este momento tal corriente podía ser producida con una batería electroquímica decente, y era fácilmente medible con un galvanómetro por su efecto magnético.

La consecuencia natural de esto es: A que fluye cargo de $1$ coulomb (es decir, una corriente de $1$ amperios que fluyen para $1$ segundo) es también una unidad conveniente, ni ridículamente grande ni ridículamente pequeña.

El hecho de que un estático cargo de $1$ culombio es un cosa, es una historia completamente diferente, que tiene que ver con la gran fuerza eléctrica entre cargas.

Answer 2

¿Alguien ha cargado un objeto con 1 culombio?
No es un problema hoy en día con los supercondensadores.

¿Por qué se eligió una carga tan ridículamente grande como unidad de carga?
Una vez elegidos el segundo y el amperio (ambas unidades razonables), ¿qué más se puede hacer?
Sucede que cuando se trata de electrostática un culombio es una unidad grande, pero no es así en el contexto de la electricidad actual.
Otro ejemplo es el tesla, que para la mayoría de las situaciones es una unidad muy grande.

Answer 3

La razón subyacente por la que 1 culombio parece una gran cantidad de carga es que la mayoría de las partículas cargadas en entornos ordinarios son no relativistas, es decir, se mueven a velocidades $v$ mucho menor que la velocidad de la luz $c$ . En comparación con las fuerzas electrostáticas, las fuerzas magnéticas son menores en un factor $v^2/c^2 \ll 1$ .

Así, para obtener fuerzas magnéticas significativas requiere grandes cantidades de carga para compensar la lentitud . Y para evitar que las fuerzas electrostáticas anulen las fuerzas magnéticas, las cargas deben equilibrarse con cargas opuestas que se muevan de forma diferente (por ejemplo, electrones en movimiento equilibrados por iones estacionarios en un cable).

Así, en un sistema coherente de unidades, es inevitable que o bien los efectos magnéticos de una corriente unitaria sean muy débiles (como en ESU ), o los efectos electrostáticos de una carga unitaria desequilibrada son muy fuertes (como en UEM y SI).

Establecer empíricamente la relación entre los efectos electrostáticos y magnéticos de una determinada cantidad de carga no es trivial, ya que requiere experimentos con un elevado "rango dinámico". Esto se debe a que se trata efectivamente de una forma de medir la velocidad de la luz, que está al menos a 6 órdenes de magnitud de los fenómenos más comúnmente medidos.

Sucedió que tanto los experimentos eléctricos (que vinculaban de hecho la ESU y la EMU) como la medición directa de la velocidad de la luz ya se habían realizado con suficiente precisión en 1861, cuando Maxwell pudo para comparar las cifras y llegar a la sorprendente conclusión de que la velocidad de la luz es una propiedad inherente al electromagnetismo.

Answer 4

Independientemente de la unidad que elijas, es poco razonable para algún propósito. Para los electroquímicos, un culombio es sólo $10^{-5}$ moles de iones de carga simple, no mucho. Pero para la maquinaria eléctrica, los culombios/segundo (amperios) son una unidad práctica. Los disyuntores de tu casa se activan con cantidades modestas de amperios.

Estas unidades del SI son habituales en ingeniería, pero existen otros sistemas. Puede encontrar ESU o Gaussiano unidades más cómodas para los electrostáticos.

Answer 5

Las placas de los condensadores "grandes" suelen recibir cargas superiores a 1 culombio.

Este condensador de 1 Farad de 5 V tiene un grosor de 5 mm y un diámetro de 20 mm y cuesta unos pocos dólares.

Sin embargo no es una carga aislada, una placa del condensador acepta una carga mientras que la carga opuesta se induce en la otra placa (las placas son estructuras enrevesadas internas a la caja ilustrada)